- PHEV的數字電源控制和電池管理策略
隨著汽車制造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(fā)進程。TI電源系統工程師John Rice將討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率、離線式電池充電器開發(fā)相關的設計要求、架構及挑戰(zhàn)，并舉例說明為何要為這類應用創(chuàng)建數字電源架構。
電動汽車設計環(huán)境
電動交通工具泛指使用高壓電池和電動機進行推進的車輛。與僅用內燃機（ICE）提供動力的汽車相比，這種技術的優(yōu)勢在于，電動機在產生扭矩（特別是在加速過程中）時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在剎車時回收動能，而其它類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機輔助主要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，并減少碳排放。
不過，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的動力完全來自于清潔電網能量。
所謂的串聯電動汽車與并聯HEV不同，不是從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動機，一般大于80kW。在某些情況下，會增加一個小型的、性能經過優(yōu)化的續(xù)駛里程ICE，用于解決純電動汽車電池的里程限制問題。ICE用作發(fā)電機給電動機供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動機從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全系統。因此最終需要復雜和高度智能的功率電子和電池管理系統。
電池設計挑戰(zhàn)
在過去一百年左右的時間內，工程師已經使汽油推進系統變得十分完善。現在，OEM及其供應商改變過去的方式，開始組成聯盟，突破常規(guī)，集中力量優(yōu)化電動推進系統。
電動推進系統的高成本表現在產品開發(fā)和元件復雜度方面，需要采用復雜和容錯性的汽車智能和功率電子系統連續(xù)管理數十千瓦的功率。
在傳統汽油動力汽車中，測量油量是一個簡單任務。根據具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個發(fā)送部件的加熱線圈所驅動的雙金屬條。而在電動汽車中，“油箱”是由串聯/并聯的許多電池單元（可能100節(jié)或以上）組成的高壓電池。對電荷狀態(tài)（SOC）的精確判斷要求對每節(jié)電池進行精確的電壓測量（在幾個毫伏內）。
這是電池管理系統的工作。BMS是一個高精度的系統，用于向中央處理器報告有關電池單元的電壓、電流和溫度等詳細信息，然后由中央處理器負責計算電池的SOC。不能精確地測量電池不僅會誤報電池SOC，還會縮短電池使用壽命，或產生不安全的、潛在性的災情。
為了避免出現這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標準的IC，它們通過硬件內置測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關鍵功能提供的N+1冗余保護，來確保系統可靠運作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進入深度放電狀態(tài)，或被過度充電，這節(jié)電池可能永久性損壞，并可能出現熱失控——自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統外還需要二級保護。
更先進的BMS能夠同步電壓和電流測量，并作為連續(xù)測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)（SOH）的一個重要指示。
圖1：針對多電池數量應用的電池管理系統
電池充電器基本原理
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電池充電器基本原理
電動汽車充電器是根據輸出功率/輸入電壓分類的。一類充電器通常集成在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專用的二類和三類充電器工作于240V/480V配線系統，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車電池和連接器約束范圍內。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)唯一獲得批準的電動汽車連接器標準，功率限制為16.8kW以下。
與用于便攜式電子設備的電池不同，汽車級電池可以適應大得多的充電電流，而不會影響電池壽命或接近熱失控。充電器的額定值（C）被定義為流入電池的電流，正比于以安培－小時（Ah）為單位測量的電池容量。例如，一個1C充電器以1A的電流給1Ah電池充電。
盡管傳統的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車電池可以用遠高于這個限值的電流充電，從而縮短再次充電時間。事實上，工作在480V/三相電壓的大功率三類充電器，給電動汽車電池充電的時間與加滿一箱油的時間相近。
請注意，電動汽車的電池容量一般是用千瓦時表示，將千瓦時額定值除以標稱電池平坦電壓，可松散關聯到電池的安培小時額定值。例如，將一個24 KWh的電池從10%充電到滿充狀態(tài)，日產LEAF電動汽車集成的一款3.3kW充電器需要用8個小時 。
另外需要注意的是，電動汽車電池的放電深度影響電池單元壽命，因此這種電池在充電周期開始時通常需要保留至少10%的電池容量。
充電器的架構設計
板載充電器必須符合嚴格的電磁兼容性、功率因數和UL/IEC安全標準方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學工業(yè)一樣，電動汽車推進電池充電器采用恒流、恒壓（CC/CV）充電算法，電池先被可編程的電流源充電，直到它達到電壓設置點，然后轉入穩(wěn)壓階段，同時監(jiān)視電池電流作為充電周期完成的指示。
充電電流（功率）由BMS、混合控制模塊（HCM）和電動車服務設備協商確定，具體取決于使用的輸入電壓、溫度和電池SOC/SOH，以及受HCM監(jiān)視的其它系統考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯性不能打任何折扣。
合適的電源架構涉及交錯式功率因數校正（PFC）和隨后的相移全橋電路，如圖2所示。控制反饋參數由微控制器數字化。這個微控制器能夠以數字方式關閉多個控制環(huán)路，并精確地調制高壓MOSFET開關。集中和高度智能的控制機制可以應對模擬技術不易解決的許多問題。
圖2：用于連接交錯式PFC和移相橋的數字控制接口
更先進的微控制器集成協處理器（控制律加速器（CLA））和多個高分辨率脈寬調制器（PWM），前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數的運算，后者能夠控制功率開關在150ps內。這種架構能夠動態(tài)適應線路和負載的變化，記錄系統操作參數數據，并實現前瞻性的無差錯算法，同時通過一個地隔離的控制區(qū)域網絡智能連接所有其它汽車子系統。
最近在數字電源方面的發(fā)展使得這種方法更加可行，更具成本效益及可擴展性，并且更適合電動汽車中的大功率多相位應用。
針對數字補償和每種可能的電源拓撲的大型、可擴展的模塊化軟件庫可以由有經驗的軟件設計師進行集成；另外還能獲得與數字和模擬電源解決方案作對比的測試報告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關受到實現多模式PFC的PWM1控制，可以產生電池充電器的兼容電壓。
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從圖3可以明顯看出這種拓撲的適應性，其中的數字補償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數字技術還能使系統不易受噪聲和溫度的影響，同時智能同步電源級電路，使干擾最小并優(yōu)化濾波器設計。
圖3：大功率PFC方法的軟件模塊化編程
圖3闡明了升壓PFC的完整代碼模塊性。類似的代碼構造可以用零電壓開關實現移相橋，從而使轉換器開關損耗達到最小，同時提高效率。級聯拓撲能夠達到95%以上的充電器效率，并使系統故障容錯性能最大化，系統成本降至最低。
