锂离子电池管理确保电动汽车的安全性和续航里程得到优化

电池组是电动工具、踏板车和电动汽车 (EV) 等电池供电产品中最昂贵的组件之一。电池组性能极大地影响电动汽车的整车级关注点，包括车辆续航里程、电池组使用寿命和充电时间，更不用说车辆安全性和可靠性了。因此，电池管理成为深入研究和持续开发工作的主题也就不足为奇了。

从车辆系统的角度来看，电池组的关键性能指标(KPI)包括直流母线电压、能量密度、比功率和电池预期寿命等参数。到目前为止，锂离子(Li-ion)电池提供了良好的效果;然而，锂离子化学给车辆电子设备带来了相当大的负担，用于电池组的“维护和供电”。

锂离子电池的使用要求电池管理单元 (BMU) 在共模电压超过数百伏的嘈杂电气环境中“突破测量精度的极限”。除了监控电池电压和温度之外，BMU 还必须执行电池平衡和库仑计数等关键功能，同时确保整个电池组在符合严格 ISO 26262 功能安全要求的安全操作范围内工作。

能量密度(Wh/l)和比功率(能量/kg)是电动汽车电池设计的两个主要品质因数。这些品质因数由多个车辆级性能参数驱动;也许最重要的是每次充电的续航里程。为了优化每次充电的续航里程，储能装置必须紧凑且轻便。

能量密度越高，车辆可输送的能量容量就越大;再加上由于更高的比功率而导致的更轻的有效载荷，可以导致更大的车辆行驶里程。除了影响车辆续航里程外，电池组的紧凑性还为其他关键电动汽车系统留出了空间，例如车载充电器和将电能转化为运动的牵引驱动器。这使得所谓的“滑板”配置在多个电动汽车平台上流行。

目前，锂离子电池是明智的选择，其应用在当今的车辆电气化领域非常普遍。尽管如此，锂离子电池也有缺点。充电非常挑剔，而且很难测量锂离子电池组的充电状态。

锂离子电池可能很棘手，悬浮滑板等消费产品的热失控问题已经证明了这一点。最后，锂离子电池是一项昂贵的技术，不仅因为构成电池的特殊材料，还因为为了优化性能和安全性而必须存在的电池和热管理系统的复杂性。

锂离子电池特性

典型锂离子电池的充电和放电特性，一旦电池在充电过程中达到饱和，甚至在放电时，电池电压在大部分工作范围内几乎保持恒定。平坦的放电曲线使其成为电动汽车有吸引力的能源，因为电池在较宽的运行范围内提供近乎恒定的能量。

然而，这一特性以及其他内在品质给电池管理带来了挑战。更重要的是，电池特性在很大程度上决定了车辆的行驶里程、电池使用寿命、安全性以及车辆的可用性。例如，需要知道用户在充电之前可以行驶多远。

不同的材料构成阳极/阴极，这会影响电池特性。例如，锂离子电池充电至 3.8 V 至 4.2 V，容差约为 ±50 mV，具体取决于所采用的阳极/阴极材料。当充电电流低于电池 Ah 额定值的 3% 时，电池被视为已充满。虽然提高充电电流不会影响总充电时间，但它可以加快达到 70% 左右容量稳定状态的时间。

事实上，将电池充电至低于 100% 的电量对于延长使用寿命是可取的，因为锂离子电池不能接受过度充电而不造成电池损坏和/或损害安全性。因此，系统设计人员必须权衡续航里程/充电、电池使用寿命、安全性和充电时间等参数。

还有其他挑战和细微差别需要考虑。电池以串联和并联组合的形式连接，以增加电压和容量，这使管理过度充电或充电不足的问题变得复杂。 BMU 实现“电池平衡”，以确保电池组中的所有电池(串联的多个电池)实际上处于相同的充电水平。

由于多种原因，监测电池温度也很重要。充电期间温度显着升高表明存在故障。此外，锂离子电池在低温(例如冰冻)下充电效果不佳。在这种情况下，BMU可以加热电池来补偿。

最后，即使严格控制充电和放电，电池的容量也会随着时间的推移而降低，因为它经历了多次充电和放电循环。电动汽车可以通过传达车辆剩余的行驶里程而不是电池容量或充电状态来弥补这一点。全新车辆可能充电至 70%，放电至 30%。随着电池组老化和容量减少，BMU 可以扩大充电和放电窗口，使车辆能够在车辆的使用寿命内保持其“充满电”的行驶里程。

电池管理

汽车 EV/混合动力电动汽车 (HEV) 电池包含数百个串联和并联的锂离子电池，从已经讨论的挑战可以清楚地看出，只有通过适当的电池管理才能维持安全和寿命优化的运行。串联中的每个电池都必须单独进行诊断和平衡。

如果目标是优化车辆级 KPI，信号路径必须提供必要的精度来估计充电状态。具体来说，充电/放电曲线的平坦度，电池电压和电池组电流测量精度至关重要。此外，电池管理解决方案有时会结合库仑计数(测量进出电池组的安培秒流量)作为交叉检查来估计整个电池组的充电状态。

由于测量和控制如此复杂，包含电池平衡以及电压和温度测量功能的集成多通道 IC 代表了一种经济高效且优化的解决方案。此类监控和平衡器件的一个示例是STMicroElectronics 的L9963芯片，该芯片每个芯片最多支持 14 个电池，并具有最多 7 个 NTC 温度传感器输入。

一颗L9963芯片提供了实现14个单元管理单元(CMU)所需的功能以及模块管理单元(MMU)功能。电池监控和保护芯片提供高精度的电池电压测量路径，并同步电池电压和电池组电流读数，从而提供整个电池组逐个电池的充电状态指示。

将一个或多个此类设备与合适的微控制器相结合(以实现电池组管理单元 (PMU))可提供完整的电池组解决方案。

对于每个连接的电池，CMU 都会获取电池电压和温度，并通过电流隔离接口将这些数据传送到主处理单元。 CMU直接影响整个电池的KPI参数。它越准确地确定电池电压，就越能更好地利用可用电池容量，并且能更精确地得出其他更高级别的应用参数，例如充电状态。

为了实现电池之间的有效电荷平衡，可以应用被动平衡方法。可切换负载与每个电池并联放置，以便在充电阶段，各个电池的充电水平可以保持恒定或在开关导通时略微降低。当具有不导电“平衡旁路”的电池继续提高其充电水平时，这可以平衡整个电池组的充电水平。

这里，L9963 电池保护芯片简化了这种无源平衡，因为它提供集成平衡 MOSFET，只需外部平衡负载即可。此外，该设备还提供多种配置选项，有助于对平衡过程进行自主且简化的控制。

然后，必须使用电流隔离接口将获取的传感器数据和诊断信息传输到处理单元，以将高压电池域与传统车辆总线系统和电源正确分离。 L9963 芯片支持基于变压器和电容器的耦合，以创建电流隔离接口。

快速通信是关键，L9963 允许高达 2.66 Mbps 的数据速率，这意味着完整的 400 V 电池的更新间隔小于 4 毫秒。在此示例中，电池由与七个 L9963 设备串联的 96 个电池组成，每个电池管理 14 个电池组，并且所有 L9963 设备通过单个菊花链通信接口进行通信。

所有这些方面——传感器数据的采集、测量的完整性测试、采样数据的传输以及电池的永久监控——对于车辆的操作和车辆乘员来说都是安全至关重要的。借助 L9963 等适当的电池管理设备(根据 ISO 26262 标准开发，满足高达 ASIL D 的安全要求)，设计了安全功能。

锂离子电池化学成分可提供卓越的功率密度和比功率，这些特性是最大化车辆每次充电行驶里程的关键。本文强调 BMU 对于确保电池提供预期性能并最大限度地延长电池使用寿命，同时满足安全要求的重要性。在组件级别，这意味着信号路径必须在较宽的温度范围内提供高精度，并且还需要适当的控制来管理电池。

尽管如此，电池组和 BMU 只是与 EV 相关的整个能量传输和存储系统的一部分。除了安装在车主车库中的充电设备外，随着电动汽车销量的持续增长，电动汽车服务设备(EVSE)也变得越来越多。 EVSE 连接到车载充电器，将来自电网的输入电力转换为高压直流 (HVDC)。一些充电器直接提供非常高电流的 HVDC，可以在 20 至 30 分钟内将车辆充电至 70% 以上。

纯电动汽车 (BEV) 以及混合动力汽车有潜力兑现减少交通碳足迹的承诺。通过采用适当的电池充电技术，消费者发现他们可以在不影响车辆性能和便利性的情况下实现这一点。