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功率技術/新能源  

電動汽車中的數位電源控制和電池管理功能

上網時間: 2011年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電動車  數位電源  汽車充電器 

正如亨利福特於1923年所說:“即使僅節省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快,並且消耗更少的燃料。”這個永恆真理正是鋰電池化學產業憑藉更高比能(焦耳/千克)引領世界向下一代更具重量效益、插電式電動汽車發展的理由。

但我們對筆記型電腦的鋰離子電池爆炸案記憶猶新,當再度考慮到電動汽車電池更大的總能量時,該事件更是被進一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進了高度智慧的電池管理系統(BMS)的發展。這種電池管理系統需要與大功率電池充電系統通訊來滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車行程(又名里程焦慮)和整夜充電等要求——為了達到更低的碳排放和更高的燃油經濟性需要做出的所有痛苦讓步。

隨著汽車OEM廠商對下一代電池管理和充電系統要求的確定,半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發。本文將要討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率(>3kW)、離線式電池充電器的開發相關的設計要求、架構和挑戰,並展示為何要為這類應用建立數位電源架構。

電動汽車設計環境

電動交通工具泛指使用高壓電池和電動馬達進行推進的車輛。與僅用內燃機(ICE)提供動力的汽車相比,這種技術的優勢在於電動馬達在產生扭矩(特別是在加速過程中)時要比ICE高效得多。另外,電動汽車可以在行車時回收動能,而其它汽車只能以熱量的形式損耗掉。

混合動力汽車(HEV)與新興的PHEV汽車不同,它們使用較低容量的電池和電動馬達輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動能力可進一步改善燃油利用率,並減少碳排放。

然而,減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此,作為新興汽車,PHEV的動力完全來自於潔淨電網能量1。

所謂的串聯電動汽車與並聯HEV不同,不從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動馬達,一般大於80kW。在某些情況下會增加一個性能經過最佳化的小型里程延伸ICE,用於解決純電動汽車電池的里程限制問題2。ICE用作發電機給電動馬達供電,並給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中,增加高壓電池和電動馬達從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全系統。因此最終需要複雜和高度智慧的功率電子和電池管理系統。

電池設計挑戰

過去100年內,工程師已經將汽油推進系統改進得十分完善。現在,OEM及其供應商一改過去的方式,開始組成聯盟,突破常規,集中力量最佳化電動推進系統。

但電動推進的高成本表現在產品開發和元件複雜度方面,需要用複雜和容錯性的汽車智慧和功率電子系統連續管理數十千瓦的功率。

考慮在傳統汽油動力汽車中測量油量的簡單任務。根據具體的汽車,油量表可能只是由連接到一個發送部件的加熱線圈驅動的雙金屬條。而在電動汽車中,‘油箱’是由串聯/並聯著的許多電池單元(可能100節或以上)組成的高壓電池。對電荷狀態(SOC)的精確判斷要求對每節電池進行精確的電壓測量(在幾毫伏內)。

這是電池管理系統的工作。BMS是一個高精度的系統,用於向中央處理器報告有關電池單元的電壓、電流和溫度等詳細資訊,然後由中央處理器負責計算電池的SOC(也就是汽車的油量)。不能精確地測量電池不僅會誤報電池SOC,還會縮短電池服務壽命,或產生不安全和潛在性的災情。

為了避免出現這種情況,業界開發出了滿足ISO26262之類新興標準的IC,它們透過硬體內建測試功能,以及為電池單元的過壓/欠壓監視等安全關鍵功能提供的N+1冗餘保護確保系統可靠地工作。如果電池組中的一節電池被迫進入深度放電狀態,或被過度充電,這節電池可能永久性損壞,並可能出現熱失控——自我破壞狀態。因此,除了主要的電池監視系統外還需要二級保護。

更先進的BMS將同步電壓和電流測量,並作為連續測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(SOH)的一個重要指示。


圖1:針對多單元數量應用的電池管理系統。

圖1顯示了足以用來測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請注意,串聯電池組中的任何一節電池單元都會限制整個電池組容量。換句話說,如果某節電池單元先於其它電池達到了最大或最小電壓,充電或放電週期必須被中斷。(圖中用綠色標示的)單元平衡電路用於確保所有單元被均勻一致地充電和放電。


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