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汽车与公路设备 |
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电动汽车的电池管理系统控制 |
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作者：凹凸科技智能电池事业部 |
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纯电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）正作为新能源车的主力，得到国家的大力推动和财政支持，这包括了“十城千辆”工程的启动和国家对电动汽车终端用户高额财政补贴等一系列重大政策的实施。特别是最近公布的新能源汽车试点城市由20个增至25个，以及《节能与新能源汽车产业发展规划》里提到，未来10年国家将拿出超过1000亿元的资金，用以扶持新能源汽车产业链的发展。在众多厂家的努力下，将可使电动汽车产业的规模化和市场化尽早形成。
目前，动力总成控制系统和电机及驱动系统有很多厂家正在研发和改进中，动力电池的能量密度、可充放电次数也已基本达到电动汽车的要求。因此，如何有效地让电动汽车的动力系统工作在最有效的状态，电池管理系统做为动力电池系统的监控者，其关键的作用就是在保证电池安全使用和寿命的前提下，充分发挥电池能力。
什么是电池管理系统
电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度进行时刻检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量、放电功率，报告SOC&SOH状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。
电池管理系统的基本功能如下，这些功能可以满足大部分手机电池、电动工具、电动自行车的应用。
·监测单体电芯的工作状况，例如单体电池电压、工作电流、环境温度等。
·保护电池，避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短，损坏，甚至发生爆炸、起火等危害人身安全的事故。
– HW 过压（OV）和欠压（UV）保护
– HW过流（OC）和短路（SC）保护
– HW 过高温（OT）和过低温（UT）的保护
– 为电池提供多重保护以提高保护和管理系统的可靠性
– 硬件执行的保护具有高可靠性
– 软件执行的保护具有高的灵活性
– 管理系统关键元器件失效的保护为用户提供第三重保护
电池管理系统的设计要求
电动汽车必须满足“以人为本”的安全理念以及汽车电子高可靠性的要求。由于电动汽车处在高速行驶（>80km/hr），车辆的安全驾驶及各种保护动作必须由驾驶员、车辆管理系统，充电器和电池集成系统共同决定，而电池管理系统不仅要为电机提供足够的动力，已满足汽车各种工况行驶的要求，而且要采集自身电池的各种信息，对自身工作状态有一个精确的计算和判断，然后要把这些信息准确无误地传递给车辆管理系统和驾驶员，使车辆管理系统和驾驶员做出正确的驾驶动作，以便在保证电池安全的前提下，充分发挥电池的潜力，延长电池的寿命。
汽车级电池集成系统必须满足汽车电子的要求，支持在线检测和故障诊断等功能，通过TS16949的认证。因此电动汽车用电池集成系统对电池的管理提出了更高的要求：
· 电源及动力系统的集总分布式、层次化，模块，从而提高电池集成系统的寿命
· 电池的温度检测和热管理
· 电池的健康状况和剩余电量的估算和显示
· 在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技术含量
· 动力总成技术就是在保证电池在安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保证电池的性能，提高电池的寿命
· 高可靠的通讯协议表：电动自行车和电动汽车电池管理方案的介绍和比较
| - | 电动自行车电池管理系统 | 电动汽车电源系统 | | 方案描述 | · 24V/36V/48V 应用单个芯片实现7-16 节锂电池串联保护和监控
· 电池集成系统是一个封闭的系统，可以独立的控制充放电各种保护动作 | · 16节以上锂电池串联应用
· 开放的电池集成系统采用分布式集总架构，和车辆管理系统、充电机、电机控制器协同工作 | | 电机功率 | <1千瓦，电机干扰小 | >10千瓦，电机会产生很强的电磁干扰 | 系统
框图 |  |  | | 电池管理系统的功能 | 温度保护：超出温度范围，自动切断电池供电
电压保护：超出电压范围，自定切断电池供电
电流保护：超出电流范围，自动切断电池供电 | · 电源及动力系统的集总分布式，层次化，模块化设计，满足汽车空间，重量分布以及安全的要求
· 提高故障诊断和量产测试的覆盖率和效率，提高系统的可靠性
· 实现电池高效率均衡，充分发挥电池集成系统的容量从而提高电池集成系统的寿命，同时减小热量的产生
· 高压漏电检测，做到在电动汽车的使用时的人体安全保护
· 高速，高精度，高可靠性的信号检测
· 电池的健康状况和剩余电量的估算和显示
· 在电动汽车应用中，告诉驾驶员还可以行驶的距离，并及时通知驾驶员进行电池的充电、维护和更换。由于电池的充放电过程是一个化学过程，电池的健康和荷电状态的估计算法必须具备很深的理论功底和使用电池的经验，具有很高的技术含量
· 实时评估电池的放出电流，功率的能力，控制电机控制器的行为
· 动力总成技术要精确计算SOC/SOH/SOP，在保证电池不发生任何安全使用的前提下，充分发挥电池的潜力，保证电池的性能，提高电池的寿命
· 高可靠的通讯协议：汽车级CAN通讯网络
· 电池的温度和热管理，使电池系统工作在温度相对稳定的环境条件，延长电池寿命
· 漏电检测以及复杂的地线设计 | | 要求 | 低速信号处理（车辆时速小于20公里）
电磁干扰（EMI/EMC）要求低
工业总线通讯（SMBus/485） | TS16949 和汽车电子的要求
高速数据采集
汽车级CAN总线通讯
高抗电磁干扰的能力，最高级别的EMI/EMC的要求
在线诊断功能 |
电池管理系统的芯片集成技术
汽车电池系统的可靠性要求极高，特别是高压监控部分，电池均衡部分。由于集成的解决方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，从而导致：
· 元件匹配度不好，信号采集的精度下降
· 外部节点增多，难以做到自动化测试，提高测试成本，降低测试覆盖率，系统可靠性低
· 外部元件的功耗很难控制
· 系统尺寸大，成本高
凹凸科技(O2Micro)在动力锂电池的保护和管理技术已经有十年以上的经验，是全球领先的动力电池管理芯片的供应商。值得关注的是，凹凸科技(O2Micro)是全球第一家提供支持13节电池单芯片前端检测的方案提供商，该芯片OZ890最多支持16颗串联可以支持到208节的应用，目前采用该芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。随着电动汽车领域的发展，凹凸科技(O2Micro)的电动汽车电池管理芯片集成了O2Micro在动力电池的最新科技和管理的成果，如高速、高精度数据采样、高压通讯技术以及支持全面的系统诊断，使得管理系统性能更加强大，更加可靠。表：以标准电池模块为例介绍分立元件的方案和集成方案的比较
| - | 分立元件解决方案 | 单芯片集成的解决方案 | | 方案描述 | · 利用现有的笔记本应用的2-4节锂电池串联保护芯片，2个芯片（S8254/M1414）串联使用，实现8节锂电池的串联监，10串则要3个芯片串联
· 或者是利用传统运算放大器、电平位移、多路开关等构成采样电路
· 需要外部MCU（微控制器）额外的资源来协调保护芯片的工作
· 需要外部电平位移电路实现不共地通讯
· 需要外部高精度电平位移电路实现电池信号采集
· 外部元件需要额外的功耗 | · 单个芯片实现可编程多节锂电池串联保护和监控
· 采用高压工艺可以监控10节以上锂电池的串联应用
· 内置高速，高精度ADC转换器，内置多路选择开关，电平位移电路实现高精度的检测
· 状态机控制各种保护功能，系统状态转换以及功耗
· 集成的通讯功能
· 内置EEPROM存储器可以灵活设置各种参数
· 集成凹凸科技BOD智能均衡技术
· 集成在线诊断功能
· 集成SPI/SMBus垂直/隔离通讯和芯片叠加功能，支持更多点此串联应用
· 集成高阶模拟滤波器和数字滤波器，提高抗干扰能力 | | 系统电路图 | 
分立元件解决方案
单芯片集成的解决方案 | | 结论 | 芯片的集成的解决方案具有以下优势：
· 很少的外围元器件，提高的系统的可靠性，系统的尺寸缩小30%以上
· 支持通讯功能和可编程功能，极大的缩短了测试时间和测试成本，而且缩短了项目开发的时间
· 低功耗，高可靠性，高抗干扰能力
· 成本低 |
由此可见，集成芯片的解决方案对提高系统的可靠性、降低成本具有十分重要的作用，是电池集成技术中硬件设计技术的核心。
凹凸科技电池管理系统方案
目前采用凹凸科技(O2Micro)芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车中。这些锂电池管理系统的主要架构为：锂电池管理系统由O2Micro提供前端AFE，带微处理器的本地控制单元，中央控制单元和一些输入输出接口组成。电池管理系统最基本的作用是监控电池的工作状态，包括电池的单体电压、系统电压、系统电流和电池的温度，实时估算电池的剩余容量，管理电池的工作情况，避免出现过充、过、，过热，以及单体电池之间电压严重不平衡的现象，以便让电池达到最大限度的循环寿命。
为了让电动汽车整车的动力分布更合理以及尽量提供最大的输出能量，大部分纯电动汽车的电池管理系统都是分布式的架构；而混合动力车由于电池包相对比较小，所以会存在集中式的架构。无论何种架构，凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片都可以实现对电池的监控。
图：采用凹凸科技(O2Micro) 芯片的锂电池管理系统的架构图
在分布式锂电池管理系统里凹凸科技(O2Micro)的多串电池管理芯片OZ890支持可达13路电压检测通道和3路外部温度检测通道，作为AFE可以采集系统中所有单个电芯的电压和温度信息， 然后通过I2C总线把此信息传递给本地电控单元，再经过本地电控单元的处理传递给中央电控单元。可以根据系统中每个电池包的电池串的多少，去决定每个电池包中所用的前端检测芯片OZ890的个数。同时OZ890可以根据采样的信息以及电控单元的控制，对不平衡的电芯进行均衡控制，以延长整个电池管理系统的寿命。而电池包的个数，更是取决于系统电压以及整车中动力的排布。
凹凸科技(O2Micro)的前端检测芯片除了可以应用在锂电池管理系统中，也可以应用于铅酸电池管理系统。对于传统的铅酸电动车而言，因为不会像锂电池存在不安全性，所以大部分应用中都没有采用管理系统。其实铅酸电池在电动车中同样需要管理系统来防止电池过充、过放、过温， 因为这些现象的发生都会对铅酸电池造成不可逆的损坏，造成整个系统的循环寿命的下降；同时，铅酸电池的自放电很大，很难控制，就会容易造成电芯之间不均衡的现象，虽然电芯厂已经经历对电芯实行配组筛选，也很难做到一致，导致部分电池过充或者过放，从而导致电池的寿命下降，也提高了电池的维护成本，所以铅酸电池管理系统的均衡功能就非常重要。凹凸科技(O2Micro)的电池管理芯片的ADC动态范围很广，可以应用于铅酸电池的管理系统中，做到基于单体电池的监控和均衡，延长了电池的寿命，降低维护成本。
铅酸电池的管理系统功能和锂电池系统类似，由于铅酸电池标准包大部分是12V、6V，或者储能的2V。 如果12V的包，那就是6个2V的单体组成的包，这也限定了前端采样的使用个数。而电池包的个数则由整车电压和整车动力分布所决定。
铅酸电池管理系统中采用凹凸科技(O2Micro)的OZ8930或 OZ8940芯片作为前端监控，负责铅酸电池模块中每个单格2V的采样，以及有2路温度检测通道负责监控铅酸电池的温度。AFE所有采集的电池的状态和信息都会通过I2C传递给本地电控单元；本地电控单元处理之后再送给中央电控单元。中央电控单元会根据整个系统中电池的状态去让AFE适时对相应的电芯做均衡管理，同样中央电控单元也会把电池系统的信息反馈给整车中央控制器，整车控制器会根据电池的状态去控制电机以及充电器，从而保证电池系统在一个安全可靠的范围内运行。
总结
随着电动汽车的发展和动力电池普遍使用，电池管理系统的作用越来越重要。电池管理技术就是通过实时检测和估算电池状态、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并据此提供电池（组）的优化使用方法，既防止电池（组）出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性，实现电池容量和能量利用的高效性。凹凸科技(O2Micro)通过和系统厂商及电池厂商的紧密协作，越来越多的产品被应用到动力锂电池的保护和管理的领域，并开发出动力锂电池的管理系统，成为动力电池管理技术的领跑者和市场的开拓者。凹凸科技(O2Micro)开发的锂离子和铅酸电池管理系统，可延长电池的循环寿命，已逐渐应用于电动车和各种储能市场，极大提高了系统的附加值。凹凸科技(O2Micro)愿意为中国乃至全球电动汽车的发展，贡献自己的绵薄之力。
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/21/2010) |
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