電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)環(huán)境與電源管理電路分析

　　正如亨利福特于1923年所說：“即使僅節(jié)省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快，并且消耗更少的燃料。”這個(gè)永恒真理正是鋰電池化學(xué)產(chǎn)業(yè)憑借更高比能（焦耳/千克）引領(lǐng)世界向下一代更具重量效益、插電式電動(dòng)汽車發(fā)展的理由。

　　但我們對筆記本電腦的鋰離子電池爆炸案記憶猶新，當(dāng)再度考慮到電動(dòng)汽車電池更大的總能量時(shí)，該事件更是被進(jìn)一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進(jìn)了高度智能的電池管理系統(tǒng)（BMS）的發(fā)展。這種電池管理系統(tǒng)需要與大功率電池充電系統(tǒng)通訊來滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車行程（又名里程焦慮）和整夜充電等要求——為了達(dá)到更低的碳排放和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性需要做出的所有痛苦讓步。

　　隨著汽車OEM廠商對下一代電池管理和充電系統(tǒng)要求的確定，半導(dǎo)體公司正在推進(jìn)預(yù)期能夠滿足這些要求的產(chǎn)品開發(fā)。本文將要討論與插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）中的大功率（》3kW）、脫機(jī)式電池充電器的開發(fā)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求、架構(gòu)和挑戰(zhàn)，并展示為何要為這類應(yīng)用建立數(shù)字電源架構(gòu)。

　　電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)環(huán)境

　　電動(dòng)交通工具泛指使用高壓電池和電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行推進(jìn)的車輛。與僅用內(nèi)燃機(jī)（ICE）提供動(dòng)力的汽車相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于電動(dòng)馬達(dá)在產(chǎn)生扭矩（特別是在加速過程中）時(shí)要比ICE高效得多。另外，電動(dòng)汽車可以在行車時(shí)回收動(dòng)能，而其它汽車只能以熱量的形式損耗掉。

　　混合動(dòng)力汽車（HEV）與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動(dòng)馬達(dá)輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動(dòng)能力可進(jìn)一步改善燃油利用率，并減少碳排放。

　　然而，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車，PHEV的動(dòng)力完全來自于潔凈電網(wǎng)能量1。

　　所謂的串聯(lián)電動(dòng)汽車與并聯(lián)HEV不同，不從兩種來源混合扭矩。所有推進(jìn)扭矩來自更大的電動(dòng)馬達(dá)，一般大于80kW。在某些情況下會(huì)增加一個(gè)性能經(jīng)過優(yōu)化的小型里程延伸ICE，用于解決純電動(dòng)汽車電池的里程限制問題2。ICE用作發(fā)電機(jī)給電動(dòng)馬達(dá)供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動(dòng)馬達(dá)從根本上改變了汽車的電氣、機(jī)械和安全系統(tǒng)。因此最終需要復(fù)雜和高度智能的功率電子和電池管理系統(tǒng)。

　　電池設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　過去100年內(nèi)，工程師已經(jīng)將汽油推進(jìn)系統(tǒng)改進(jìn)得十分完善?，F(xiàn)在，OEM及其供貨商一改過去的方式，開始組成聯(lián)盟，突破常規(guī)，集中力量優(yōu)化電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。

　　但電動(dòng)推進(jìn)的高成本表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)和組件復(fù)雜度方面，需要用復(fù)雜和容錯(cuò)性的汽車智能和功率電子系統(tǒng)連續(xù)管理數(shù)十千瓦的功率。

　　考慮在傳統(tǒng)汽油動(dòng)力汽車中測量油量的簡單任務(wù)。根據(jù)具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個(gè)發(fā)送部件的加熱線圈驅(qū)動(dòng)的雙金屬條。而在電動(dòng)汽車中，‘油箱’是由串聯(lián)/并聯(lián)著的許多電池單元（可能100節(jié)或以上）組成的高壓電池。對電荷狀態(tài)（SOC）的精確判斷要求對每節(jié)電池進(jìn)行精確的電壓測量（在幾毫伏內(nèi)）。

　　這是電池管理系統(tǒng)的工作。BMS是一個(gè)高精度的系統(tǒng)，用于向中央處理器報(bào)告有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細(xì)信息，然后由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池的SOC（也就是汽車的油量）。不能精確地測量電池不僅會(huì)誤報(bào)電池SOC，還會(huì)縮短電池服務(wù)壽命，或產(chǎn)生不安全和潛在性的災(zāi)情。

　　為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標(biāo)準(zhǔn)的IC，它們通過硬件內(nèi)建測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護(hù)確保系統(tǒng)可靠地工作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進(jìn)入深度放電狀態(tài)，或被過度充電，這節(jié)電池可能永久性損壞，并可能出現(xiàn)熱失控——自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統(tǒng)外還需要二級保護(hù)。

　　更先進(jìn)的BMS將同步電壓和電流測量，并作為連續(xù)測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)（SOH）的一個(gè)重要指示。

　　圖1：針對多單元數(shù)量應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。

　　圖1顯示了足以用來測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請注意，串聯(lián)電池組中的任何一節(jié)電池單元都會(huì)限制整個(gè)電池組容量。換句話說，如果某節(jié)電池單元先于其它電池達(dá)到了最大或最小電壓，充電或放電周期必須被中斷。（圖中用綠色標(biāo)示的）單元平衡電路用于確保所有單元被均勻一致地充電和放電。