【導讀】電容器的一個關鍵參數是其介電吸收（DA）。如果想估算電容器的質量或識別其電介質類型，則只要測量出其 DA 即可。在選擇具有適當 DA 的電容器時，這種簡單的電路可以幫助避免耗時的標準過程。
電池組是包括電動車以及電動工具中最昂貴的部件，電池組的性能對電動汽車的整車使用壽命、使用壽命、充電時間等都有很大的影響，更不用說汽車的安全性和可靠性了。因此，電池管理需要持續研究和發展。
從車輛系統的角度來看，電池組的關鍵性能指標（KPI）包括直流連接電壓、能量密度、比功率和電池預期壽命等參數。到目前為止，鋰離子電池提供了良好的效果；然而，鋰離子化學給汽車電子設備的電池組“維護和供給”帶來了相當大的負擔。
鋰離子的使用要求電池管理單元（BMU）在共模電壓超過幾百伏的噪聲環境中精準測量。除了監測電池的電壓和溫度外，BMU還必須執行電池平衡和庫侖計數等關鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴格的ISO 26262功能安全要求的范圍內工作。
為什么選擇鋰離子？
能量密度（W-h/l）和質量功率比（Energy/kg）是電動汽車電池設計的兩個重要指標。這些性能指標由多個車輛級別的性能參數決定；最重要的是每次充電的續航里程。為了優化每次充電的范圍，儲能必須緊湊輕便。
能量密度越高，車內傳輸的能量就越多；再加上質量功率比越大，有效載荷越輕，車輛續航里程就越大。除了影響車輛行駛里程外，電池組的緊湊性為其他關鍵的電動汽車系統留下了空間，如車載充電器和將電能轉化為運動的牽引驅動系統。
圖1這些圖表顯示了電池的不同化學特性。來源：STMicroelectronics
圖1比較了幾種常見的電池技術。目前，鋰離子是一個明確的選擇，它在當今汽車電氣化中的應用非常普遍。盡管如此，鋰離子也有缺點。充電很麻煩，而且很難測量鋰離子電池的充電狀態。此外，包括復雜的熱管理系統，高昂的價格等都是鋰離子電池的缺陷。
鋰離子特性
圖2描述了典型鋰離子電池的充放電特性。一旦電池在充電或放電過程中達到飽和，電池電壓在大多數工作包絡電池內幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動汽車最愛，因為電池在寬的工作范圍內提供幾乎恒定的能量。
圖2典型鋰離子電池的充放電曲線。來源：STMicroelectronics
然而，這一特性和其他固有特性一起，給電池管理帶來了挑戰。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的行駛范圍、電池的使用壽命、安全性以及車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。
陽極/陰極由不同的材料組成，這會影響電池的特性。例如，鋰離子電池的充電電壓為3.8伏至4.2伏，其容差約為±50毫伏，這取決于所用的陽極/陰極材料。當充電電流低于電池額定值的3%時，電池被視為完全充電。雖然提高充電電流不影響總充電時間，但它可以加快時間，達到約70%的容量。
事實上，為了延長使用壽命，鋰離子電池充電至低于100%的電量是可取的，因為鋰離子電池不能接受過度充電而不造成電池損壞和安全危險。因此，系統設計者必須權衡充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等種種參數。
還有其他的挑戰和細微之處需要考慮。電池以陣列串聯和并聯的方式連接，以增加電壓和容量，這使得管理過充電或欠充電的問題變得復雜。BMU實現“單元平衡”以確保堆棧中的所有單元處于相同的充電水平。
出于幾個原因，監測電池溫度也很重要。充電過程中明顯的溫升表明存在故障。此外，鋰離子電池在寒冷的溫度下，例如在冰凍環境下充電不好。在這種情況下，BMU可以通過加熱給電池進行溫度補償。
最后，即使嚴格控制充電和放電，電池的容量也會隨著時間的推移而降低，因為它經歷了多次充放電循環，需要進行補償。隨著電池組的老化和容量的減少，BMU可以擴大充放電窗口，使車輛在整個壽命期內確保其有更好的行駛體驗。
電池單元管理
汽車電動汽車/混合動力電動汽車（HEV）蓄電池包含數百個串聯和并聯的鋰離子電池，從已經討論過的挑戰中可以清楚地看出，只有正確地管理電池，才能保持安全和壽命優化的運行，串聯中的每個電池單元都必須單獨診斷和平衡。
圖3該圖顯示了電池組監控和電池平衡的信號路徑。來源：STMicroelectronics
如果目標是優化車輛，則信號路徑必須提供估計充電狀態所需的精度（圖3）。具體來說，由于圖2所示的充電/放電曲線平坦，電池電壓和堆棧電流測量精度至關重要。此外，電池管理解決方案有時包括庫侖計數測量電流安培秒進出堆棧作為交叉檢查估計整個電池組的充電狀態。
由于測量和控制的復雜性，集成的多通道集成電路包括單元平衡以及電壓和溫度測量，是一種成本效益高且優化的解決方案。這種監控和平衡裝置的一個例子是來自ST的L9963芯片，它支持每個芯片多達14個單元，最多7個NTC溫度傳感器輸入。
圖4這些圖顯示了三種BMU架構方法。來源：STMicroelectronics
如圖4所示，一個L9963芯片提供了14個單元管理單元（CMU）和模塊管理單元（MMU）功能所需的功能。電池監測和保護芯片提供了一個高精度的電池電壓測量路徑，它同步電池電壓和電池組電流讀數，提供整個電池組充電狀態的指示。
一個或多個這樣的設備與一個合適的微控制器的組合來實現電池組管理單元（PMU）——提供了一個完整的電池組解決方案（圖5）。
圖5該框圖顯示了組成BMU解決方案的器件組合。來源：STMicroelectronics
對于每個連接的電池，CMU獲取電池電壓和溫度，并通過電流隔離接口將這些數據傳輸到主處理單元。CMU直接影響整個電池的參數，它能夠更精確地確定電池電壓，從而可以更好地利用電池的可用容量，并且可以更精確地給出其他更高級別的應用參數，例如電荷狀態。
為了實現電池之間的有效電荷平衡，可以采用被動平衡方法。切換負載與每個電池并聯放置，以便在充電階段，單個電池的充電水平可以保持恒定，或者在開關導通的情況下電流稍微降低。當帶有非導電“平衡旁路”的電池繼續提高其充電水平時，這將平衡整個電池組的電荷水平。
在這里，L9963電池保護芯片簡化了這種被動平衡，因為它提供了集成的平衡MOSFET的方式，只需要外部平衡負載。此外，該裝置提供了多種配置選項，以促進對平衡過程的自主和簡化控制。
然后，必須用電流將采集到的信息從車輛的高電壓總線傳輸到診斷單元，并將其與傳統的數據處理單元進行適當的隔離。L9963芯片支持基于變壓器和電容器的耦合，以創建電隔離接口。
快速通信是關鍵，L9963允許高達2.66 Mbps的數據速率，這意味著對于一個完整的400V電池，更新間隔不到4毫秒。比如，電池組由96個電池單元和7個L9963設備串聯組成，每個單元管理14個單元的堆棧，所有L9963設備通過一個菊花鏈通信接口進行通信。
傳感器數據的采集、測量的完整性測試、采樣數據的傳輸以及對電池的永久監控，對于車輛的運行和車輛的乘員來說都是安全關鍵。根據ISO 26262標準開發的符合ASIL D安全要求的適當電池管理裝置，L9963也設計了安全功能。
鋰離子電池的化學特性提供了卓越的功率密度和質量功率比，這些特性是最大限度地擴大車輛每次充電里程的關鍵。本文強調了BMU的重要性，以確保電池達到預期的性能，并最大限度地延長電池的使用壽命，同時滿足安全要求。在組件級別，這意味著信號路徑必須在較寬的溫度范圍內提供高精度，并且有適當的控制來管理電池。
圖6該框圖顯示了電動汽車能量傳輸和儲存系統的布局。來源：STMicroelectronics
不過，電池組和BMU只是與電動汽車相關的整體能量傳輸和存儲系統的一部分（圖6）。除了安裝在車主車庫的充電設備外，隨著電動汽車銷量的不斷增長，充電樁也變得越來越多。充電樁與車載充電器相連，該充電器將來自電網的輸入功率轉換為高壓直流電（HVDC）。有些充電器直接提供高壓直流電，可以在20到30分鐘內將車輛充電到70%以上。
電動汽車（BEV）和混合動力汽車（HEV）如今已被市場所接受，通過使用適當的電池充電技術，消費者發現他們可以在不影響車輛性能和便利性的情況下實現綠色節能的生活。
本文作者：
JohnJohnson是ST美洲地區的汽車系統營銷經理。
Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部門高級技術營銷工程師。
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