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HEV/EV电池管理系统简介与设计注意事项

时间:2018-08-11 作者:Martin Moss, 德州仪器 阅读:
本文将介绍与电池组和管理电荷状态相关的注意事项。由于电池组由多个电池串联而成,其有效使用性能基于最薄弱的单个电池。电池的电量存在差异是由于制造过程中的化学失衡,在电池组中的位置(热量变化)以及使用或寿命相关的改变……
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如图所示,电动汽车(EV)的基本传动系统由三个系统模块组成。

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图1:电动汽车传动链的简单流程 – 电池管理系统(BMS)到逆变器,然后到三相交流电机

电池组是由多个电池(通常是纯电动汽车中的锂离子电池)组成的阵列,可产生高达数百伏的电压。电池组的电压取决于电动汽车的系统需求。

系统的第二个组成部分是逆变器。电动汽车采用的交流牵引电机可在汽车完全停止状态提供加速度,而且非常可靠。电池组的电压为直流(DC),通过逆变器转换成交流(AC)(通常为三相)。与电压一样,相数取决于系统需求和所用电机的类型,但通常为三相。

所用的电机通常为感应电动机,需使用交流电压。此类电机常用于电动汽车,因为它们易于驱动、性能可靠且具有成本效益。电机的外层组件是定子,上面缠绕着三个线圈。内层通常是由铜条或铝条构成的转子。
本文将介绍与电池组和管理电荷状态相关的注意事项。由于电池组由多个电池串联而成,其有效使用性能基于最薄弱的单个电池。电池的电量存在差异是由于制造过程中的化学失衡,在电池组中的位置(热量变化)以及使用或寿命相关的改变。

电池电压之间的差异指示系统层面电池的失衡。造成这种差异的原因至今仍在研究之中。充分了解这一点是非常重要的,因为它影响着电池组在电力输出方面的持续时间,以及每个单体电池的可用寿命和电池组的使用寿命。

需要考虑的最重要参数之一是电荷状态。由于各个单体电池的电量不同,因此我们以百分比来反映电池之间的电量不平衡情况。如果一个电池的电荷状态为94%,另一个电池的电荷状态为88%,则两者的电量存在6%的不平衡。此外,每个电池也有不同的电压,称为开路电压(OCV),这是化学电荷状态。

电池组面临的挑战是在汲取电流时,并非每个电池都会以相同的速率损失电量。因此,即使电池串联连接,放电率也会以不同的速度发生。由于一些电池的吸收量低于其他电池,因此它们回收和吸收电量的能力将随着时间而改变。其他条件(包括温度)则会加速该循环。正如前文提到的那样,一些电池单元可能会因其定位或位置靠近散热元件而变得更热。

电池故障的主要原因是电池完全崩溃,这将影响电池电压,因为电池基本上只是一个降低电压的电阻。避免这种情况的一种方法是通过电池平衡,电池平衡是管理如何使每个单体电池充满电的过程。有几种技术可以实现电池平衡;最简单的方法是在每个单体电池上并联一个电阻和一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),通过监视电压的比较器监测各单体电池的电压,并使用简单的算法开启MOSFET为电池分流。这种方法的缺点是旁路能源浪费。

另一种技术被称为电荷转移,它不使用电阻器,单体电池之间只连接一个电容器。这种技术不会造成旁路能源浪费,但它更复杂,因为您需要在更宽距离上连接电池,而不是绕过每个单体电池。

电动汽车中使用的技术通常是电感式充电,其中变压器连接不平衡的单体电池,因为它是较高功率的系统。电路设计趋于大型,这需要设计包括更大的面积以适应实施解决方案所需的电路数量。

所有这些平衡都基于对单电池特征和化学的广泛研究,由使用MATLAB等工具运行它们的电子表格和数学公式来表示。微处理器在系统中起到确保正确执行所有平衡的重要作用。为了给微处理器供电,DC/DC转换器直接连接到电池组,并根据系统设计提供48V或12V输出,为系统供电。TI有两个可以为微处理器供电的设备;两者都能够承受苛刻条件下的瞬态特性以及宽电压范围。

附:文中相关的TI产品

LM5165-Q1是一款3V至65V,超低输出同步降压转换器,可在宽输入电压和负载电流范围内提供高效率。该器件具有集成的高端和低端功率MOSFET,能够以3.3V或5V的固定输出电压或可调输出电压的条件下,提供高达150mA的输出电流。该转换器设计旨在简化方案,同时优化诸如电池管理系统等应用性能。在工作温度高达150°C 结温(Tj)时,该器件可以承受电动汽车中的高工作温度范围。

LM46000-Q1 SIMPLE SWITCHER®稳压器是一款同步降压型DC/DC转换器,能够在3.5V至60V的输入电压范围内驱动高达500mA的负载电流。当您需要系统的高输入电压或更大电流时,LM46000-Q1以极小的解决方案尺寸,提供卓越的效率、输出精度和压降电压。

有许多方法可以管理电池组中锂离子电池的平衡,但设计外观取决于许多因素,如成本、尺寸、热特性及精度要求。在实现之前,需要将所有上述因素纳入设计策略的考虑范围。了解有关符合严格汽车和系统要求的TI产品的更多信息,并查看HEV高单体电池数量电池组的系统框图。

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