混合动力电动汽车中高电压锂离子电池的管理

为了从锂电池获取尽可能多的能量和尽可能长的使用寿命，需要采用一些精细复杂的电子元器件。例如：测量由100个串接电池组成的电池组中每个3.7V电池两端电压的能力便是要求之一。如何应付370V的共模电压并抑制100V的共模开关瞬态电压?面向电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)和不间断电源(UPS)应用的电池管理系统设计必需解决许多此类问题。

电池是如何使汽车成为“绿色产品”的?而对于锂电池为什么存在如此大的异议?首先，根据CaliforniaCarsInitiative(www.calcars.org)提供的数据，汽车的电力运行成本相当于支付每加仑汽油75美分的油价。因此，纯电动汽车具有很低的日常运作成本。其次，如果驾驶里程超过100英里，那么仍然需要采用一部汽油发动机，而电池则可使汽油所行驶的里程得以延长。请考虑一下，汽车的能量贮存能力是其行驶距离的限制因素。当采用一个大型锂电池组时，您可以在一个8小时的充电周期之后行驶100英里。每公斤汽油的贮能是锂离子电池的80倍，而且只需几分钟时间便可将一辆汽车的油箱加满。然后，带上足够的咖啡，您就能够一直开下去。然而，内燃机的峰值效率仅为30%，而且在每分钟高转速条件下的平均效率约为12%。采用电池来提供转矩(在加速期间)并恢复能量(在刹车过程中)意味着燃气发动机的运行频度较低，而且效率较高，从而实际上使每加仑汽油所行驶的里程实现翻番。

给汽车添加电池的第三个原因是为了减少尾气排放。耗用一加仑汽油将产生9kg的二氧化碳。清洁能源(比如：风能)可转换为电能，且不会产生二氧化碳排放物。因此，电池对于改善里程成本和减低每英里二氧化碳排放量起着举足轻重的作用。电池的能量存储密度越高，则其效能就越高。当今的2009年度车型采用的是镍氢电池。换成锂离子电池将使能量存储密度提高150%。而到2012年，届时大多数混合动力轿车和货车都将采用锂电池技术。

汽车如何采用锂电池

当考虑在汽车中使用锂电池时，应该研究分析串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、纯电动汽车和其他汽车类型的功率链路方框图。幸运的是，锂电池组对于所有的汽车而言大致相同。构件是一个由100至200个2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接电池构成的电池组。这种直流电源可驱动一部30kW~70kW电动机。电池组的总电压很高，所以对于一个给定的功率级，平均电流很低。较低的电流所需的电缆较细，重量较轻，成本较低。在峰值条件下，该电池组应提供200A电流，并可迅速地完成再充电。换句话说，电池必需具备优良的功率密度和上佳的能量密度。大型系统(例如：公共汽车和牵引拖车)采用多达4个640V并联电池组。

锂电池组的设计问题是平衡性能、经济性和安全性。两个关键的变量是电池组电池设计和电池管理电子线路。比如：您希望制作一部每充电一次便可行驶100英里的EV，而采用的是一个使用寿命达10年的电池组(在此期间无须购买或租用新的电池组)。为了满足10年(3650次充电)的电池寿命目标，只能使用电池容量的一部分(比如：40%)。为了最大限度地降低汽车成本，您希望采用最轻的电池，而电池是电池组中最昂贵的部件。为了实现性能的最大化，电池必须处理200A的峰值充电和放电电流。最重要的是，发生快速氧化事件(即：着火)的几率必须低于汽油动力车。

传统的锂钴电池(比如笔记本电脑中所采用的那些电池)虽然具有很高的能量密度，但当隔离材料失效时往往容易发生热失控现象。制造商们将新型锂电池基于磷酸铁锂电池、锂锰电池和钛酸锂电池，即使在其封装被刺穿的情况下它们也能保持稳定的热性能。它们的棱柱形状结构具有低ESR(等效串联电阻)以支持高电流。它们的储能比笔记本电脑的锂钴电池少，但仍然优于镍氢电池，而且，如果能够仔细地监视其充电和放电水平，则其使用寿命可达10~15年。

电池的“电荷状态”(StateofCharge)

如今，电池监视系统开始发挥作用了，原因是它们能够监视电池的电荷状态，而这反过来又决定了电池的成本和性能。如果您了解了电池的电荷状态，就能够从每个电池获得更多的可用容量、使用较少的电池、并最大限度地延长这些电池的使用寿命。在笔记本电脑中，可通过监视电池电压并计算流入和流出电池组(含有4至8个电池)的电荷量来完成此项任务。电压、电流、电荷、温度和某些数学算式能够很好地指示电池的电荷状态。不幸的是，由于电池驱动的是一部电动机，而不是一块母板，所以无法在汽车中计算电荷量。电流尖峰为200A，而在这些尖峰之后是低电平空转。

您还拥有96~200个串接电池，分成10或12个组。这些电池的老化速度不一，来自多个批次，而且温度不同。这些因素意味着它们具有不同的容量，而电荷量相同的电池有可能具有不同的电荷水平。为此，汽车内的电池监视系统重点关注电池电压。必须准确地测量每节电池的电压，然后采用电流和温度测量来调整读数(针对ESR和容量变化)。保存每个电池电荷水平的运行估计值。如果某些电池过充电，而其他的电池欠充电，则必须通过放电(即被动地平衡电荷)来调节每个电池中的电荷水平；另一种方法则是重新分配电荷(即主动地平衡电荷)。当电池达到最低电荷状态时，您就会发觉没电了。

您必需弄清楚如何准确地测量电压。以在-20ºC至+85ºC的温度范围内实现优于1%的电荷状态测量准确度作为起始目标。图1示出了普通锂离子电池的典型电荷与电压特性的关系曲线。不过，需要牢记的是：这些数据会因电池制造商和化学组成的不同而存在相当大的差异。在30%~70%的电荷状态范围内，电池电压的变化幅度约为200mV(即：每个百分点变化5mV)。0V至5V的测量范围要求0.1%的总测量准确度。将该数字变换为数据采集规格需要一个具1LSB(最低有效位)或0.02%INL(积分非线性)的12位ADC和一个具0.05%初始准确度和5ppm/ºC漂移(即：对于40ºC的温度变化为0.02%)的电压基准。

　　图1：典型5A-hr锂离子电池在不同放电速率条件下电荷与电压特性的关系曲线(a)。同一个电池在不同温度条件下(在5A放电期间)的电荷与电压特性的关系曲线(b)。

数据采集系统还必须抑制开关噪声和高共模电压。图2示出了电池组输出的仿真结果(当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时)。把瞬变均等地散布于100个电池之上意味着顶端的电池具有一个370V的共模电压、100V的共模瞬态电压、1V的差分瞬态电压和一个3.7VDC值。必需以5mV的准确度来测量该3.7VDC值。

图2：该仿真结果示出了当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时的电池组输出。

大多数电池监视系统均采用模组化构造的市售部件的组合。图3示出了监视一个内含36个电池(分为3组，每组12个电池)的电池组之方法。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将“承受”一个较小的共模电压。图4示出了分立型模拟电子线路实例。LT1991差分放大器可抑制共模电压，并对每个电池两端的差分电压进行缓冲。差分放大器的输出是参考于LT1461的电池电压。这12个信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。LT1461-2.5负责提供2.5V电压基准。MOSFET开关用于防止在ADC处于睡眠模式时从电池吸收电流。差分放大器的75dBCMRR(共模抑制比)、0.04%的差分放大器增益误差和0.04%的基准电压误差组合起来，产生了一个0.3%的最坏情况误差。ADC误差可忽略不计。在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差。

　　图3：您能够监视一个内含36个电池的典型电池组(分3组，各含12个电池)。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将承受小得多的共模电压。

　　图4：在用于分立模拟电子元件的简化电压测量电路中，电池电压信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。ADC误差可忽略不计，而且，在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差