如何对混合动力汽车的高压电池组进行充电控制

绿色革命可能不久就将迎来一场重大胜利。在大规模的电能成为“可储存”和“便携式”能源之时，能量效率将获得显著改善，而且可再生能源的推动工作也将取得进展。可储存性和便携性是液体燃料的主要优势，而通过电池系统提供的电力则拥有提供一种可行替代方案的潜力。电能可在几乎所有的耗能设备中使用，而且，电能也可以从几乎所有的可用能源来产生。核能、太阳能、风能、地热能和液体燃料(汽油、柴油、乙醇、氢等等)都能很容易地转换成电能。因此，与石油燃料相比，电力的重大优势是可以利用最具成本效益的解决方案随时随地产生能量。对电能的规范化可以同时实现规模经济，并免除局部燃料消耗所需的基础设施。优越的电能可储存性便于发电(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情况大体如此。例如：风力发电和太阳能发电未必与峰值功率需求模式相吻合，而可储存特性则能缓解这个问题有所缓解。优越的便携性允许电能作为汽车(耗能大户)的能源。随着时间的推移，其他倾向于使用绿色能源的应用肯定将得益于此项技术。
电动汽车对电池系统的要求
电动汽车为绿色革命提供了一个巨大的发展机遇，原因有很多。电动汽车采用电网电力取代了燃气动力。电网电力的生成效率很高，可以从几乎所有的能源来获得。此外，电动汽车的能源使用效率也高于燃油汽车。大多数汽车在运行时将经历一个“加速、减速和空转”的连续周期。相比之下，易变的负载(比如加速或减速)更有利于电动马达(而非燃油引擎)，因为它在低速条件下提供了高转矩。燃油引擎的工作效率只在一个很窄的速度/负载范围内达到最高，而且为满足峰值加速的需要，它必须是超大型的。用于把汽油能量转换为动能的引擎效率通常为 20%，而电动马达将电能转换为动能的过程中可以实现 90%的典型效率。此外，电动马达还无须在停靠时因为空转而无谓地消耗能量，而且电动系统还具备通过再生制动来恢复机械能的潜力。通过电动汽车的典型能耗成本仅为0.013美元/英里这一事实，便能看出能量效率的整体改善情况。
遗憾的是，在现今的市场上，纯电动汽车还不是一种可行的解决方案，因为其行驶距离受限于车上所能储存的能量。如今常见的电池组在充电8小时之后能够让一辆电动汽车行驶100英里。而一个普通的汽车油箱则能为一辆标准汽车提供300英里的行驶距离，且只需几分钟的时间就能完成加油。如果想得到美国消费者的广泛接受，那么电动汽车必须延长行驶距离和/或缩短再充电时间。应运而生的解决方案是“油电混合动力车”，它把燃油引擎和电动传动系统组合起来，以提供足够的行驶距离，同时仍然拥有绿色能源的大多数好处。油电混合动力车采用车载燃气引擎(用于电池充电)，并在需要时在最有效的速度/转矩范围内操作该引擎。
毫无疑问，电动汽车的成功将有助于其它应用的高性能电池系统找到属于自己的生存空间，从而推进其价格的下降和性能的提升。对于局部发电(包括小型光伏或风力发电系统)，电池可以起到至关重要的平衡作用，且当可以使用电网电力时，它还能充当一个后备电源系统。目前的电池系统相当昂贵而且庞大，且存在可靠性和安全方面的问题。下一代电池系统将提供较高的能量密度，旨在实现外形较小、价格较低、可靠性和安全性更高的解决方案。
高电压电池组的设计挑战
对于大功率电池应用而言，锂离电池可作为首选的化学电池，主要因为它的能量密度高。当今的电动汽车和油电混合动力车采用的是NiMH电池，如果采用锂离子电池将使其能量储存密度提高400%。然而，为了使锂离子电池在多达数千次的充放电循环过程中保持可靠，电池系统必须解决诸多技术难题。
锂离子电池的性能取决于电池温度和使用期限、电池充电和放电速率以及充电状态(SOC)。这些因素并不是独立的。例如：锂离子电池在放电时将产生热量，从而增加放电电流。这有可能形成热失控状态，并导致灾难性故障的发生。此外，把锂离子电池充电至100% SOC或放电至0%SOC将迅速降低其容量。因此，必须将锂离子电池的操作限制在某个SOC范围内，比如20%至80%，此时的可用容量仅为规定容量的60%。不仅如此，锂离子电池还具有平坦的放电曲线(图1)，其中1%的SOC变化可能仅表现为数毫伏的电压差异。为充分利用电池的可用电压范围，电池系统必须非常准确地监视电池电压(它直接对应于SOC)。

图1：典型的锂离子电池放电曲线。

除了锂离子电池的敏感特性之外，把电池组合在一起的方法也是一个重要的考虑因素。如欲从一个电气系统(比如用于给车辆加速所需的电气系统)来提供有效的功率，则需高达数百伏的电压。举例来说，在1V电压条件下输送1kW功率需要1,000A电流，而在100V电压条件下输送1kW功率则仅需10A电流。系统布线和互连线中的固有电阻将转换成IR损耗，因此设计师需采用切实可行的最高电压/最低电流。
对于一个基于电池的系统(典型锂离子电池具有4.2V的满充电电压)，必须采用串联方式将许多电池连接在一起。请注意，作为一长串电池的一部分，任何单个电池发生故障都将导致整个电池组无法使用，而且在电池串中每添加一个电池都会增加这种风险。
采用锂离子电池来制作一个高电压电池组的挑战并非微不足道。不能像对待单个电源那样来对一个锂离子电池组进行充电和放电。对于那些容量略小的电池而言，在经过多个充电和放电周期之后，其SOC将逐渐与其他电池产生偏差。如果不对每个电池的SOC进行周期性的均衡或平衡处理，那么有些电池最后将发生过度充电或过度放电的现象，从而造成受损，并最终导致整个电池组发生故障。因此，一个电池控制系统必须谨慎地管理每个电池。
这个问题可以划分为数据采集和控制两个方面。控制方面包括根据系统数据来对每个电池进行充电和放电的算法和方法。这在很大程度上取决于具体应用，且常常涉及那些受到严密保护的知识产权。数据采集通过电池组接口来完成，该接口必须沿着高电压电池组快速而准确地测量每个电池的电压。这需要具备从一个0V至1,000V以上(当提升电池组电压时)的共模电压来抽取一个小差分电压的能力。这是一个棘手的难题，需要多种高性能模拟功能。
基于高性能多节电池监视IC的方案
凌力尔特(Linear)公司的LTC6802可处理大型电池组的数据采集任务，而且特别适合于锂离子电池。LTC6802可与一个包括多达12个单独电池的电池串中的每个电池直接相连。通过一个独特的电平移位串行接口把多个LTC6802器件串联起来(无需使用光耦合器或光隔离器)，可实现长串串接电池中每节电池的精准电压监视。当把多个LTC6802器件串联起来，它们就能够同时工作，快速而准确地完成电池组中所有电池的电压测量。电压测量准确度高于99.75%，且一个电池组中所有电池的电压测量都能在13ms的时间之内完成。可每节电池均进行了欠压和过压条件监视，并提供一个相关联的MOSFET开关，用来对过充电电池进行放电。
每个LTC6802通过一个支持广播和编址命令的1MHz串行接口进行通信。另外，该器件还包括两个热敏电阻输入、两个GPIO线和一个5V稳压器。该器件对充满挑战性的汽车环境进行了特殊的考虑。LTC6802专为在工业温度范围内工作而设计，具有高 ESD、EMI和噪声免疫力，并内置诊断和自测试功能。
这款高集成度、高性能多节电池监视IC解决了当今先进电池系统所面临的诸多问题。由于可在整个工作温度范围内进行高精度的电压测量，它使得电池能在其整个可用SOC范围内使用，不用担心电池会超出这些限值。这种鲁棒性将使该器件能够在汽车环境中可靠地工作。此外，高集成度还可使电池系统满足苛刻的成本、空间和可制造性约束条件。

图2：高性能多节电池监视IC LTC6802的应用方框图。

本文小结
经过了多年的努力和稳步发展之后，高能量电池系统不久就能满足人们日常使用的需要，尤其是能作为电动汽车和油电混合动力车的一部分。该技术有望在全球范围内大幅度地提升能量效率，并使人们更加重视替代能源。在实现这些目标之前，必须解决诸多层面的技术问题，以构建实用、经济和可靠的电池系统。凌力尔特的LTC6802便是解决其中一个主要问题的产品。这款电池监视IC把数据采集任务的处理电路集成在单个器件之中，支持非常长的电池串。随着电动汽车和油电混合动力车的走向成功，具有成本效益的高性能电池系统很快将实现众多的绿色技术应用。