電動汽車電池管理系統設計新方案

中心議題：

• 電動汽車電池管理系統功能介紹
• 電動汽車電池管理系統設計挑戰
• 電池管理系統對芯片集成技術的要求

解決方案：

• 電池電壓和溫度等信息的高速采集
• 高可靠的通訊協議
• 電池的溫度和散熱管理

隨著能源緊缺、石油漲價、城市環境污染的日益嚴重，替代石油的新能源的開發利用越來越被各國政府所重視。在新能源體系中，電池系統是其中不可或缺的重要組成部分。近年來，以鋰電池為動力的電動自行車、混合動力汽車、電動汽車、燃料電池汽車等受到了市場越來越多的關注。動力電池在交通領域的應用，對于減少溫室氣體的排放、降低大氣污染以及新能源的應用有著重要的意義。其中鋰電池以高能量密度、高重復循環使用次數、重量輕以及綠色環保等優勢越來越受到人們的關注，所以在手機、筆記本電腦、電動工具等便攜式手持設備中已經得到廣泛的應用，并已經開始進入電動車、電動汽車等大功率的應用中，成為全球電動汽車發展的熱點
　　
但是由于鋰電池在加熱、過充/過放電流、振動、擠壓等濫用條件下可能導致電池壽命縮短以致損壞，甚至會發生著火、爆炸等事件，因此安全性問題成為動力鋰電池商業化推廣的主要制約因素。安全型、低成本、長壽命鋰離子電池的安全標準、安全評價方法、電池制造過程的安全與可靠性控制以及通過正負極材料、電解質與隔膜優選改善電池安全與可靠性是實現確保大型動力鋰離子電池安全可靠，實用化的關鍵。而電池管理系統作為電池保護和管理的核心部件，不僅要保證電池安全可靠的使用，而且要充分發揮電池的能力和延長使用壽命，作為電池和車輛管理系統以及駕駛者溝通的橋梁，電池管理系統對于電動汽車性能起著越來越關鍵的作用。
　　
電池管理系統的主要功能
　　
電池管理系統與電動汽車的動力電池緊密結合在一起，對電池的電壓、電流、溫度進行時刻檢測，同時還進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量、放電功率，報告SOC&SOH狀態，還根據電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程、以及用算法控制充電機進行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、電機控制器、能量控制系統、車載顯示系統等進行實時通訊。圖1為電池管理系統的簡單框圖。

圖1：為電池管理系統的簡單框圖。
　　
電池管理系統的基本功能：1）監測單體電芯的工作狀況，例如單體電池電壓、工作電流、環境溫度等。2）保護電池，避免電池工作在極端的條件下發生電池壽命縮短，損壞，甚至發生爆炸、起火等危害人身安全的事故。
　　
一般而言，電池管理系統必須具備以下電路保護功能：過壓和欠壓保護、過流和短路保護、過高溫和過低溫保護、為電池提供多重保護以提高保護和管理系統的可靠性(硬件執行的保護具有高可靠性、軟件執行的保護具有更高的靈活性、管理系統關鍵元器件失效的保護為用戶提供第三重保護)。這些功能可以滿足大部分手機電池、電動工具和電動自行車應用的需要。
　　
電動汽車對電池管理系統提出更高挑戰
　　
電動汽車電池集成系統是一個開放的動力系統，它通過汽車級CAN總線進行通信，和車輛管理系統、充電機、電機控制器協同工作，以滿足汽車以人為本的安全駕駛理念。因此汽車級電池管理系統必須做到：滿足TS16949和汽車電子的要求、實現高速數據采集和高可靠性、汽車級CAN總線通訊、高抗電磁干擾的能力(最高級別的EMI/EMC要求)、在線診斷功能。
　　
其主要功能為：電池電壓和溫度等信息的高速采集；實現電池高效率均衡，充分發揮電池集成系統的容量從而提高電池集成系統的壽命，同時減小熱量的產生；電池的健康狀況和剩余電量的估算和顯示；高可靠的通訊協議(汽車級CAN通訊網絡)；動力總成技術要保證電池發生任何安全使用的前提下，充分發揮電池的潛力，保證電池的性能，提高電池的壽命；電池的溫度和散熱管理，是電池系統工作在溫度相對穩定的環境條件；漏電檢測以及復雜的地線設計。
　　
由于電動汽車中電池的分布環境非常復雜，處于高壓大功率的工作狀態，對EMI/EMC要求非常高，這就為電池管理系統的設計帶來了更大的挑戰。
　　
電動汽車電池系統的層次化、模塊化設計
　　
由于電動車電池系統是由成百上千個電芯單元集成，考慮到汽車的空間、重量的分配和安全的要求，這些電芯單元被劃分成標準的電池模塊，分布在汽車底盤不同的位置，由動力總成和中央處理單元統一管理；每個標準電池模塊也是有多個電芯通過并聯和串聯組成，由模塊的電控單元進行管理，通過CAN總線把電池模塊的信息匯報給中央處理器和動力總成單元，中央處理器和動力總成單元把這些信息經過處理以后，把最終的有關集成系統的信息如剩余電量、健康狀況以及電池的能力相關信息等通過CAN總線匯報給車輛管理系統。電動汽車電池系統的層次化，模塊化的設計就要求電池管理系統設計的層次化、模塊化(圖2)。


圖2：層次化、模塊化的電動汽車電池管理系統設計。

電池管理系統的芯片集成技術
　　
汽車電池系統的可靠性要求極高，特別是高壓監控部分，電池均衡部分，由于集成的解決方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，導致：元件匹配度不好，信號采集的精度下降；外部節點增多，難以做到自動化測試，提高測試成本，降低測試覆蓋率，系統可靠性低；外部元件的功耗很難控制；系統尺寸大，成本高。
　　
凹凸科技(O2Micro)為全球提供首顆支持>5節電池串聯單芯片保護和檢測的方案OZ89xx，該方案還支持多芯片級聯的應用。目前采用該芯片的電池管理系統方案已成功用于純電動車和混合動力車電池模塊電控單元中。


表1以標準電池模塊為例介紹分立方案和集成方案的比較。
　　
由此可見，集成芯片的解決方案對提高系統的可靠性，降低成本具有十分重要的作用，他是電池集成技術中硬件設計技術的核心。　
　　
未來，動力鋰電池在電動汽車領域中具有廣闊的前景，而電池管理系統將對于電池安全使用，以及和車輛管理的溝通起著關鍵的橋梁作用。電池管理技術包括硬件設計技術和軟件設計技術，而其中高壓混合信號處理技術及芯片設計是硬件設計核心，不僅是保證在汽車環境下實現高可靠、高速、高精度信號采集和處理的關鍵，也是提高測試覆蓋率、支持在線檢測和降低成本的關鍵；而軟件的核心則包括電池管理的算法，通訊協議的支持以及動力總成的相關技術等。凹凸科技(O2Micro)是全球主要電池管理解決方案的供應商之一，憑借其在電池保護和管理多年的芯片設計和方案設計的經驗，掌握了具有國際先進水平的電池管理技術，為全球電池廠商，系統廠商提供了高品質技術服務，為中國電動車的發展貢獻了自己的力量。