電動汽車電源管理的基礎框架和實施

陳天殷

（美國亞派克機電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

1 概述

插電式混合動力汽車 （PHEV）和純電動汽車（BEV）是當前汽車業快速興起的技術，都使用大功率電動機作為驅動的動力源。為了給電動機供電，需要在車輛上安裝由數百個單元鋰電池組合而成的大型電池組，其總電壓達到350～400 V。但電池的電能容量是有限的，PHEV和BEV必須定期連接到電網進行再充電，其充電系統通常有從交流電路獲得直流電壓的AC／DC整流器及與電池組適配直流電壓的DC／DC轉換器。先進的充電系統須能通過電力線 （PLC）與電網進行通信，根據電網的狀況對充電過程進行調整。在電池組工作及充電期間實施實時監測，以最大限度提高能量利用率并延長電池壽命。

無論純電動還是混合動力 （雙動力源）的電動汽車，由于鋰電池自身的特性，需要用平衡電路使電池發揮最佳效能和長壽命。而平衡電路功能的實現，仰賴于每個電池支路不同的平衡電流，只有對每一電池的電壓實時精確地測量，才能精確地對各個電池提供恰當的平衡電流，以保證其電壓的一致性。

作為電動汽車動力電源的鋰離子電池，在運行的過程中，放電、充電是化學能轉換為電能、電能轉換為化學能的過程。單元電池的溫度和電壓控制影響著化學能和電能順反程序的性能效率和可靠性。在較低的溫度時，由于化學反應較慢，故電池單元電壓較低；溫度升高反應速度加快；當溫度達到100℃時，電解質開始分解，氧化物的分解進一步加速溫度升高和釋放出氧氣，致使電池單元熱失控。因而保持電池處于最佳運行狀態，電池的電壓、溫度等參數都應實時監控，確保精確可靠的數據采集和分析。

利用光電耦合器隔離電動汽車大于380 V的高電壓對信號的干擾；提供系統保護，抑制高噪聲；也阻斷了高電壓對駕駛員及乘員帶來傷害或電擊的途徑；保障電源管理的安全性、可靠性。

每個動力電池組電源管理的功能模塊器件還都擁有針對過壓、過放電及過熱條件的保護功能，旨在實現電池組和系統的安全性。

2 平衡電路保證鋰電池電源的高效與長壽命

出現于1991年的鋰電池由于其突出的高能量密度 （所儲存能量與其質量的比值），迅速在電動汽車和許多追求高效能的領域中得到廣泛的應用。

鋰離子電池放電時，鋰材料在石墨陽極進行離子化，這些鋰離子通過分離器藉電解質移動到達陰極造成電荷流動，對外電路供給能量。充電的過程則是把整個程序反向，將鋰離子由陰極通過分離器帶回陽極。鋰電池被設計用來提供3.0～4.3 V的電壓。確保在運行中電池電壓在其設計界限內，不僅關乎其效能發揮，還影響電池壽命。3.0V是電池預設的閾值，若電池電壓降至3.0V以下，鋰電池將進入深放電狀態，充電器須進入安全預充模式，以正常值的1／10電流充電，待電池電壓超過3.0V方可進入快充模式。視深放電的程度有時需要數小時后甚至數天方能恢復。

多次或嚴重的深放電可能會造成電池的短路，電池一旦真正達到短路的狀態就無法恢復。而過充電，電壓高于4.3V則會更糟，不僅損壞電池，而且造成過熱或其他災難性的后果。電源管理的電子控制系統必須保證每個電池在充電時電壓低于4.2 V；而電池電壓降低到3.2V時，停止再放電，與負載斷開。在電動汽車中電池電源總是由數十個單個電池串聯起來工作，電源電壓等于各個單個電池電壓之和。放電時，負載電流由串聯的電池共同提供；充電時，串聯著的各個電池也會流經相同的充電電流。在電池的整個生命周期中會進行數百次、數千次充電放電。但每個電池的內阻等參數必然有所差異，防止其中部分電池失配，造成一個或多個電池欠充電或過充電，導致電池失效是電源管理的首要任務。

電池電源的平衡就是用電子線路強制所有電池在整個工作過程中都具有相同電壓。實現這一目標的線路叫做平衡電路。電池的平衡電流Icell如公式（1）所示。

式中:Icell——電池平衡電流；Ucell——電池電壓；Uavg——電池的平均電壓；Ri——各電池支路的均衡電阻，因為電池內阻本不大，故Ri數值亦較小，為個位數量級Ω。

平衡電路采用共享總線，其總線電壓等于所有電池的平均電壓。由高效率的雙向DC／AC轉換器實現超過共享總線電壓的電池向電壓較低的電池注入電能充電。為縮短達到平衡所需要的時間，平衡電流大于1 A，而雙向DC／AC轉換器通過平面變壓器工作在頻率100kHz附近。

每一電路實質是帶有諧振復位信號的前向轉換器，其開關頻率由鎖相環控制，提供精確的低損耗開關，實現高效率。實際的集成化模塊的電池電子單元 （BCU）具有電壓監控功能，單元電池電壓的精度為10 mV，該數據由12位A／D和串行數據遙測技術測得。

圖1畫出了使用串行共享總線的5個電池的平衡電路。平衡電流的大小與各電池對電池平均電壓的電壓差成正比，見公式 （1）。

動力電池的荷電狀態SOC（State of Charge）用來表示電池剩余的容量。數值上定義為電池的剩余容量與電池額定容量的比值。100%表示電池滿容量。電池運行 （即放電）時，由于采用平衡電路使所有電池的電壓都接近電池的平均電壓。在充電時，平衡電路保證每個鋰電池都精確地達到4.2 V，實時監視、測量電池總電壓的充電電路就有可能使電池實現更高的荷電狀態，使之接近100%，且不會產生一個或多個電池過充電，從而避免造成損壞。

電池內部的熱管理:一般使用外部熱敏電阻來監測電池溫度，功能模塊用調節電流來控制電池管芯的溫度。如充電時，無論任何情況下，系統電流ISYS的供電優先級高于充電電流，所以溫度升高時首先降低充電電流。

3 測量精確度是確保電池平衡的前提

為了實現電池電源的長壽命，電池組一般在荷電狀態 （SOC）的20%～80%工作。這不僅取決于平衡電路，更需要有足夠高的測量精度和算法精度來保證。圖2是典型的鋰電池組工作原理方框圖。幾組串聯的鋰電池其測量和平衡由高壓模擬集成電路來實現。模擬前端 （AFE）集成電路測量每節電池的電壓、電流和溫度，并向控制電路數據鏈路傳遞數據。控制器運用測得的電池參數計算電池組的荷電狀態和健康狀態，從而控制器根據判據命令前端集成電路對某些電池充電或放電，使電池組保持平衡高效的荷電狀態。

確保電池工作在優化的荷電狀態，模擬前端集成電路的測量準確度對系統成本有直接影響，電壓精確測量又是SOC算法的關鍵因素。測量3.3V磷酸鐵鋰LiFePO4，要求測量精度控制在1 mV以內。電壓大于1%的誤差，SOC計算會達到5%的不確定性，導致電源整體成本相應增加。一般設計都是以15年的使用壽命來考核的。

當前國際上主力的IC制造商皆藉助信號穩頻與鎖相的自動頻率調整的AFT電路來實現對電池的精確測量。多路復用器 （MUX）的主要功能是對數十路被測電池電壓進行選擇，保證在某一時刻只有一路電壓進入后級的模數轉換電路進行數據轉換。由模數轉換器 （ADC）將測得的電池電壓與電壓基準進行比較，誤差由精密的電容設計和組件微調來解決。電壓基準運用集成化的齊納基準電壓源。當然電壓基準有可能隨溫度、濕度、線路板組裝應力、熱沖擊等因素產生基準漂移，在模塊化系統中采取一系列相應的措施來消除。

抵御在電池模塊和控制電路之間傳輸數據的線束上的電磁干擾 （EMI），模塊安排了多通道傳感器模擬前端 （AFE）予以解決，也降低了數據通信的成本。

近年來，總線化成為一個方向，各電子單元通過總線進行通信，信息交換，傳輸當前的狀態信息，接受中央控制單元的指令并執行特定的功能。總線化增強了汽車的整體性，也提高了軟件在汽車制造技術中的地位。模塊化電池組如今也采用集合的控制器局域網 （CAN）通信和數字隔離器:微處理器 （MPU）將數據從CAN協議轉換到AFC集成電路、更簡單的串行外圍接口SPI或I2C總線協議。

圖3為運用CAN的隔離式數據通信框圖。

4 主動電荷平衡加速充電并增大能量

正確設計的主動電荷平衡系統能高效率地在整個電池組中實時準確地重新分配電荷，并基于平均容量的電池，而不是最低容量的電池，確保達到20%～80%狀態 （無論是在充電還是放電的過程）。雙向主動電荷平衡常采用非隔離型同步反激式拓撲，保證測量準確度和恒久的穩定，不僅加速充電，電池組還可從每節電池獲取更多的能量，平衡電流可高達10A。主動電荷平衡不僅能以更低的能量加速充電，也有助于恢復電池容量，電池可以實現非常高的 （＞80%）容量恢復。

通信和控制是車輛運行的重要基石。實時性、可靠性、安全性、環保性皆是當今汽車電子技術的特點和核心要求。還需滿足電源管理系統在功耗和電磁兼容性等方面獲得最佳的綜合品質。

5 光電耦合器隔離高電壓改善安全性

市場化的經濟體制帶來了高效的資源配置，利用光電耦合器可以有效隔離高電壓，不影響數據采集、分析和通信，改善電動汽車電池組的安全性。

電池組監控系統、數字通信系統以及隔離接口組成的架構和零組件如何有效隔離高電壓，對于安全性至關重要。電池接口模塊提供的數據會送到電池能量控制模塊中，該模塊會將運行狀態、故障情況診斷信息提供給作為車輛診斷主控制器的控制模塊。整個系統以每秒超過5000次的頻率對系統進行診斷。其中85%的診斷任務聚焦于電池組的安全性、電池性能與壽命的控制。

圖3中部一些豎直陰影線表示的數字屏蔽器（Digital Isolator）實質意為 “數字通信的高電壓屏蔽器”。它是采用裝有光電耦合器的多層電路板來實現的，既保證數據傳遞、通信和處理的信號完整性，又隔離了高電壓。設計中著眼于高的信號完整性，采用4層電路板的走線布局技術、隔離技術和接地平面的組合布局。其中最上層包含大多數零組件，如光隔離器、接地平面和有供接受發光二極管LED光線的多個通孔的信號走線，提供通往次一層電路板的連接路徑；第2層則使用電源和接地平面分布于電路板高電壓區的下方；第3層包含了通過這些區域下方的信號走線；第4層 （也就是第3層印刷線路板的背面）包含接地平面、部分零組件和信號走線。

實際應用中往往采用多重隔離以保護獨立的子系統，還使用專用的算法管理鋰離子電池組，并監測電池組接口控制模塊上每個感應子系統中的電池組。作為整體電池管理系統的關鍵數據，總是包含在控制器局域網網絡CAN總線信號接口和某個高電壓故障信號中，同時系統的安全性可靠性也有賴CAN總線網絡和高電壓感應電路間的安全隔離，光電耦合器成為這類型應用的首選解決方案。

根據電動汽車電池組的要求，電源管理系統的光電耦合器器件及其組成的功能模塊其標準規定需耐受600V連續工作電壓，6000V最高瞬態過電壓，5mm爬電距離和5mm電氣間隙不擊穿。在10mA順向輸入電流時，無論邏輯高電平或低電平都具有30kV／μs的共模瞬變抗擾度，以降低其他車輛上的子系統變化進入CAN傳輸線網絡的機會。

作為車輛電源管理系統中光電信號轉換的光源——發光二極管LED和接受光的光敏二極管，其技術要求遠高于消費型產品。車輛電源管理系統中應用的光電耦合器制成與LED相組合的密封型，以獲得更強的可靠性和更廣的工作溫度范圍。

圖4為光電耦合器的器件圖。它是電—光—電轉換的半導體器件，實現以光信號為媒介的電信號傳輸。發光部分是輸入端，受光部分是輸出端。發光部分由發光二極管將輸入的電信號轉化為光信號；受光部分由光敏器件將輸入端傳遞過來的光信號轉換為電信號。這樣輸入-輸出端的信號得以高速傳遞，而由于發光器件和光敏器件分別置于沒有電線路相連接的輸入輸出回路，因而，光電耦合器輸入輸出端在電氣性能上是完全隔離的。它工作溫度范圍寬、壽命長、體積小、無觸點、抗干擾，這些正符合電動汽車的控制回路中需將電源高電壓隔離，又得高速采集分析數據和傳遞信息的要求。

光電耦合器其輸入特性可由發光二極管的伏安特性表示；光敏二極管的伏安特性即是其輸出特性。傳輸數字量回避了光電耦合器的非線性缺陷；減小自身分布電容、構筑推挽式電路和增加光敏基極正反饋等措施能數十倍提高傳輸速度，滿足汽車電子對光電耦合器開關速度的要求。

在汽車這樣有著高電磁干擾 （EMI）環境中，要實現可靠的通信和控制，必須充分考慮系統快速開關和高電流變化所造成的電磁干擾EMI會限制超高速元件的需求，從而轉向提高對調整壓擺率和抑制EMI性能等方面的更高靈活度要求。

光電耦合器1～5 M波特率對于電源管理系統已足付應用。雖然CAN物理層傳輸協議已自帶較低的EMI，采用集電極開路輸出可調整輸出壓擺率，進一步降低包括CAN收發器等來自其他零組件快速開關時產生的電磁輻射。

電池組控制模塊的電路板，每一個都包含多個感應電路和CAN通信電路，并通過通信子系統邊緣的光電耦合器進行隔離。電池組接口模塊的線路板光電耦合器位于通信區的邊緣，通過更深層電路板的接地面屏蔽，進一步將其與高電壓感應子系統隔離。隔離接口提供3個獨立的光電耦合器給3個由感應電路出來的連接線——CAN發射輸出引腳，微控制器的CAN接收輸入引腳和微控制器的高電壓故障信號。微控制器的CAN發射引腳輸出通過電路板的屏蔽信號層到達光電耦合器的陽極，提供嵌入式LED能量，使輸出引腳電位狀態變化。

數字信號隔離、提高抑制EMI能力和系統的安全保護是光電耦合器在電源管理系統中的三大作用。

6 結語

電池管理系統通常被分為若干子模塊，可安放在汽車內的不同位置。所有這些模塊都需要有電池監控和電池電量平衡功能，常常通過不同的通信路徑相連以確保系統的冗余度。內部的溫度管理功能電路也影響系統壽命和安全性，各主力IC生產公司都開發有多系列包括電壓及溫度監視器、電量平衡器和數據通信專用于動力電池組的電源管理系統。本文僅就動力電源的鋰離子電池基本框架進行原理性的敘述，實際現場應用皆以各自車型需求選擇集成化智能化的功能模塊。

［1］Tom Denton.Automobile Electronic&Electronic Systems［Z］.Elsevies Butterworth-Heinemann Co.Ltd.， 2009.

［2］Ronald K.Jargem.Automotive Electronic Handbook （Third Edition）［Z］.McGrow-Hill Corpanics Inc.2008.

［3］陳天殷.汽車電子技術的現狀與展望［J］.汽車電器，2012 （12）:1-3， 7.

［4］陳天殷.汽車電器電磁兼容性及電磁干擾的抑制［J］.汽車電器，2007（1）:56-59.