电动汽车设计环境与电源管理电路分析

正如亨利福特于1923年所说：“即使仅节省几磅的汽车重量……也意味着它们能开得更快，并且消耗更少的燃料。”这个永恒真理正是锂电池化学产业凭借更高比能(焦耳/千克)引领世界向下一代更具重量效益、插电式电动汽车发展的理由。

但我们对笔记本电脑的锂离子电池爆炸案记忆犹新，当再度考虑到电动汽车电池更大的总能量时，该事件更是被进一步放大。这方面的顾虑及其它因素促进了高度智能的电池管理系统(BMS)的发展。这种电池管理系统需要与大功率电池充电系统通讯来满足诸如安全、成本、电池寿命、汽车行程(又名里程焦虑)和整夜充电等要求——为了达到更低的碳排放和更高的燃油经济性需要做出的所有痛苦让步。

随着汽车OEM厂商对下一代电池管理和充电系统要求的确定，半导体公司正在推进预期能够满足这些要求的产品开发。本文将要讨论与插电式混合动力汽车(PHEV)中的大功率(》3kW)、脱机式电池充电器的开发相关的设计要求、架构和挑战，并展示为何要为这类应用建立数字电源架构。

电动汽车设计环境

电动交通工具泛指使用高压电池和电动马达进行推进的车辆。与仅用内燃机(ICE)提供动力的汽车相比，这种技术的优势在于电动马达在产生扭矩(特别是在加速过程中)时要比ICE高效得多。另外，电动汽车可以在行车时回收动能，而其它汽车只能以热量的形式损耗掉。

混合动力汽车(HEV)与新兴的PHEV汽车不同，它们使用较低容量的电池和电动马达辅助主要ICE加速。这种混合扭矩加上再生制动能力可进一步改善燃油利用率，并减少碳排放。

然而，减少排放还不能完全满足针对汽车零排放的最新法律要求。因此，作为新兴汽车，PHEV的动力完全来自于洁净电网能量1。

所谓的串联电动汽车与并联HEV不同，不从两种来源混合扭矩。所有推进扭矩来自更大的电动马达，一般大于80kW。在某些情况下会增加一个性能经过优化的小型里程延伸ICE，用于解决纯电动汽车电池的里程限制问题2。ICE用作发电机给电动马达供电，并给电池充电。不管是在PHEV还是HEV中，增加高压电池和电动马达从根本上改变了汽车的电气、机械和安全系统。因此最终需要复杂和高度智能的功率电子和电池管理系统。

电池设计挑战

过去100年内，工程师已经将汽油推进系统改进得十分完善。现在，OEM及其供货商一改过去的方式，开始组成联盟，突破常规，集中力量优化电动推进系统。

但电动推进的高成本表现在产品开发和组件复杂度方面，需要用复杂和容错性的汽车智能和功率电子系统连续管理数十千瓦的功率。

考虑在传统汽油动力汽车中测量油量的简单任务。根据具体的汽车，油量表可能只是由连接到一个发送部件的加热线圈驱动的双金属条。而在电动汽车中，‘油箱’是由串联/并联着的许多电池单元(可能100节或以上)组成的高压电池。对电荷状态(SOC)的精确判断要求对每节电池进行精确的电压测量(在几毫伏内)。

这是电池管理系统的工作。BMS是一个高精度的系统，用于向中央处理器报告有关电池单元的电压、电流和温度等详细信息，然后由中央处理器负责计算电池的SOC(也就是汽车的油量)。不能精确地测量电池不仅会误报电池SOC，还会缩短电池服务寿命，或产生不安全和潜在性的灾情。

为了避免出现这种情况，业界开发出了满足ISO26262之类新兴标准的IC，它们通过硬件内建测试功能，以及为电池单元的过压/欠压监视等安全关键功能提供的N+1冗余保护确保系统可靠地工作。如果电池组中的一节电池被迫进入深度放电状态，或被过度充电，这节电池可能永久性损坏，并可能出现热失控—— 自我破坏状态。因此，除了主要的电池监视系统外还需要二级保护。

更先进的BMS将同步电压和电流测量，并作为连续测量电池阻抗的一种方式。阻抗是电池健康状态(SOH)的一个重要指示。

图1：针对多单元数量应用的电池管理系统。

图1显示了足以用来测量电池SOC和SOH的典型电池单元配置和BMS。请注意，串联电池组中的任何一节电池单元都会限制整个电池组容量。换句话说，如果某节电池单元先于其它电池达到了最大或最小电压，充电或放电周期必须被中断。(图中用绿色标示的)单元平衡电路用于确保所有单元被均匀一致地充电和放电。

电池充电器的基本原理

电动汽车充电器是根据输出功率/输入电压分类的。一类充电器通常整合在电路板上，输入的是95V至265V的交流电压，充电能力在1.5kW和3.3kW之间。专用的二类和三类充电器工作于240V/480V配线系统，能够以快得多的速率完成充电，但限于汽车电池和连接器约束范围内。例如，SAE J1772是目前北美地区唯一获得批准的电动汽车连接器标准，功率限制为16.8kW以下。

与用于可携式电子设备的电池不同，汽车级电池可以适应大得多的充电电流，不会影响电池寿命或接近热失控。充电器的C额定值被定义为流入电池的电流，正比于用安培/小时为单位测量的电池容量。例如，1C充电器将以1A的电流为1Ah电池充电。

虽然传统的锂离子电池可能限于1C，但一些汽车电池可以用远高于这个限值的电流充电，从而缩短再次充电时间。事实上，工作在480V/三相电压的大功率三类充电器(例如Aker Wade Power Technologies3和其他公司开发的产品)给电动汽车电池充电的时间与加满一箱油的时间相近。

请注意，电动汽车的电池容量一般是用千瓦/时表示，通过将千瓦/时额定值除以标称电池平坦电压可以将它松散地关联到电池的安培/时额定值。作为参考点，Nissan Leaf公司整合的一款3.3kW充电器需要用8个小时时间将一个24kW的电池从10%充电到满充状态。

另外需要注意的是，电动汽车电池的放电深度影响电池单元寿命，因此这种电池在充电周期开始时通常需要保留至少10%的电池容量。

充电器的架构设计

板载充电器必须符合严格的电磁兼容性、功率因子和UL/IEC安全标准方面的工业和政府法规要求。与所有其它的锂化学工业一样，电动汽车推进电池充电器采用?宁y、?睎?(CC/CV)充电算法，电池先被可程序设计的电流源充电，直到它达到电压设置点，然后转入稳压阶段，同时监视电池电流作为充电周期完成的指示。[!--empirenews.page--]

充电电流(功率)由BMS、混合控制模块(HCM)和电动汽车服务设备协商确定，具体取决于使用的输入电压、温度和电池SOC/SOH以及受HCM监视的其它系统考虑因素。这种控制算法的安全性和容错性一点也不能打折扣。

合适的电源架构涉及交错式功率因子校正(PFC)和随后的相移全桥电路，如图2所示。控制回馈参数由微控制器数字化。这个微控制器能够以数字方式关闭多个控制环路，并精确地调变高压MOSFET开关。

图2：连接交错式PFC和相移桥的数字控制接口。

集中和高度智慧的控制机制可以满足模拟技术不容易解决的许多问题。

更先进的微控制器整合有协处理器(控制律加速器)和多个高分辨率脉宽调变器(PWM)，前者用于加速控制环路传输函数的运算，后者能够控制功率开关在 150ps内。这种架构能够动态适应线路和负载的变化，记录系统操作参数数据，并实现前瞻性的无差错算法，同时通过地气隔离的控制局域网络智能地连接所有其它汽车子系统。

最近在数字电源方面的发展使得这种方法更加可行，更具成本效益、可扩展性，并且更适合电动汽车中的大功率多相位应用。

有经验的软件设计师可以免费使用针对数字补偿和实际上每种电源拓扑的大型且可扩展模块化软件库进行整合;另外还能获得与数字和模拟电源解决方案作对比的测试报告。例如，考虑图2所示的两相交错式PFC功能。PFC升压开关受实现多模式PFC的PWM1控制，可以产生电池充电器的兼容电压。

从图3可以明显看出这种拓扑的适应性，其中的数字补偿和相位管理模块在软件控制下是可变的。采用数字技术还能使系统不易受噪声和温度的影响，同时智能地同步电源级电路，使干扰最小，并优化滤波器设计。

图3：大功率PFC方法的软件模块化程序设计。

图3为升压PFC的完整代码模块。相似代码构造可以用零电压开关实现相移桥，从而使转换器开关损耗达到最小，同时提高效率。