從幾毫伏到數(shù)英里:電池管理集成電路如何影響汽車性能
發(fā)布時(shí)間:2015-12-23 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】小編開全電動(dòng)汽車已經(jīng)有四年多的時(shí)間,行駛里程大約有100000公里。選擇電動(dòng)汽車的原因有很多,不過歸根結(jié)底是因?yàn)殡妱?dòng)汽車真的很棒。它安靜得出奇,加速性能無人能敵,也不需要更換機(jī)油,而且想去哪兒就去哪兒,根本不用考慮速度或時(shí)間對(duì)于行駛里程的影響。
從4節(jié)串聯(lián)(微型混動(dòng)汽車),到12-16節(jié)串聯(lián)電池(輕度混合汽車),直到96節(jié)串聯(lián)電池(電動(dòng)和混動(dòng)汽車),根據(jù)汽車技術(shù)規(guī)格的不同,會(huì)有一節(jié)或很多節(jié)并聯(lián)電池。然而,從IC的角度出發(fā),串聯(lián)電池節(jié)的數(shù)量才是關(guān)鍵點(diǎn),并聯(lián)電池節(jié)數(shù)量可根據(jù)需要隨意確定。電池管理系統(tǒng) (BMS) 是駕駛員、汽車和電池之間的重要紐帶。BMS包含監(jiān)視和保護(hù)電池的電子元器件。我經(jīng)常對(duì)這些電池管理電子元器件的性能感到好奇,特別是諸如bq76PL455A-Q1的電源管理IC的性能到底怎么樣;實(shí)際上,正是這款器件使我的汽車能夠正常行駛的同時(shí),還提升了車輛的性能。作為駕駛員,我急需知道電池的續(xù)航里程,以及汽車充電完成的時(shí)間。我還想知道,我的電池狀態(tài)是不是良好。我也很樂意知道我的汽車可以快速加速。我們來看看IC所具有的不同技術(shù)規(guī)格如何幫助實(shí)現(xiàn)我所需要的功能。
續(xù)航里程和加速
續(xù)航里程是另外一個(gè)了解電池剩余電荷的方法,這一參數(shù)被稱為電荷狀態(tài) (SoC)。有手機(jī)的人都知道,電池的容量會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸下降。一個(gè)電池在一個(gè)指定時(shí)間點(diǎn)上能夠保存的最大電荷量被稱為健康狀態(tài) (SoH)。計(jì)算SoH和SoC的方法有很多,而這些方法都會(huì)計(jì)算電池電壓、電池溫度和電池組電流。
某些鋰離子化學(xué)電池,比如說磷酸鋰鐵電池,SoC相對(duì)于電池電壓的曲線非常平緩。電池電壓中的一個(gè)小誤差就有可能導(dǎo)致SoC估算中的巨大誤差。
一個(gè)LiFEPO4電池的SoC曲線
監(jiān)視需要測(cè)量電壓、電流和溫度。諸如bq76PL455A-Q1的監(jiān)視IC,對(duì)于大約4.5V的電池電壓,它在0°C至65°C溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度值為2mV,在-40°C至105°C溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度值為4mV,通常情況下,電池電壓精度在很大程度上取決于輸入電壓。請(qǐng)注意,我在這里討論的是真正的準(zhǔn)確度:這個(gè)準(zhǔn)確度包括所有由回流焊和前幾個(gè)熱循環(huán)所導(dǎo)致的偏移。有時(shí)候,數(shù)據(jù)表技術(shù)規(guī)格會(huì)與你在電路板上看到的值大不相同。加速也與SoC密切相關(guān),由于電池電壓下降,所以電池能夠產(chǎn)生的最大功率也下降了。任一SoC上的過多電流,特別是在處于低SoC時(shí),都會(huì)加速電池的老化。
安全性
到目前為止,電池在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有150年的歷史了,所以汽車廠商也在這方面提供幫助。他們是如何做到的呢?汽車停止充電和放電的時(shí)間恰到好處。通常情況下,一個(gè)BMS具有一個(gè)單獨(dú)的保護(hù)器——這是一組比較器,它們檢查每節(jié)電池的電壓,并且確保電池電壓在正確的范圍內(nèi)。如果監(jiān)視器或保護(hù)器檢測(cè)到一節(jié)電池處于過壓閥值上或者欠壓狀態(tài),那么充電或放電將終止。如果監(jiān)視器或保護(hù)器少報(bào)電壓,另外一個(gè)將停止充電放電。
事實(shí)上,雖然故障很少發(fā)生,但是大多數(shù)汽車廠商都將他們的大部分時(shí)間花費(fèi)在汽車的安全性開發(fā)上。這也是為什么一個(gè)IC具有如此之多的自我診斷特性,并且一個(gè)監(jiān)視器能夠診斷絕大部分系統(tǒng)的原因。例如,bq76PL455A-Q1能夠檢查線路斷開,同時(shí)具有內(nèi)置自檢以驗(yàn)證已定義的內(nèi)部功能,并且能夠以多種方法在安全性方面為用戶提供幫助。
成本
與我對(duì)電動(dòng)汽車的鐘愛程度一樣,我也很希望電動(dòng)汽車能夠再便宜一些。很明顯,在汽車成本中,電池占了很大份額。減少成本的最簡單方法就是少花錢多辦事。在電池應(yīng)用領(lǐng)域中,這就意味著更小的保護(hù)帶,而反過來,也就表示需要更多精確的監(jiān)視器和保護(hù)器。通常情況下,保護(hù)器不如監(jiān)視器精確,所以,實(shí)際上是保護(hù)器的準(zhǔn)確性拉高了保護(hù)帶數(shù)量。
主動(dòng)和被動(dòng)電池節(jié)均衡是另外一個(gè)重要特性。如果沒有電池均衡,那么大容量電池會(huì)很快失效。當(dāng)?shù)谝还?jié)電池?zé)o電時(shí),放電驅(qū)動(dòng)停止。當(dāng)?shù)谝还?jié)電池充滿時(shí),充電停止。在沒有均衡的情況下,第一節(jié)完全放電的電池與第一個(gè)充滿電的電池互不相干;電池均衡減少了這兩節(jié)電池之間的電荷差異。被動(dòng)均衡在這方面的表現(xiàn)很不錯(cuò),事實(shí)上,你可以拿一個(gè)不可用的電池組,并且對(duì)其進(jìn)行一次均衡以消除漂移效應(yīng)。然而,隨著時(shí)間的推移,電池節(jié)的容量能夠保持的電荷數(shù)量也會(huì)發(fā)生改變,并且容量擴(kuò)散會(huì)隨著時(shí)間的推移變得越來越大。
還有另外幾個(gè)方法能夠使汽車廠商降低成本。第一代系統(tǒng)通常使用控制器局域網(wǎng) (CAN) IC和隔離器,用于與主機(jī)控制器通信。這是一種比較昂貴的通信方式。更新一代的IC擁有經(jīng)改進(jìn)的通信方式。在無需隔離器的情況下,通過隔離式差分通用異步接收器/發(fā)射器 (UART)來完成通信,數(shù)個(gè)bq76PL455A-Q1能夠以菊花鏈配置進(jìn)行通信。價(jià)格低廉的電容器能夠幫助你實(shí)現(xiàn)隔離。
集成的監(jiān)視器和保護(hù)器,以及每個(gè)IC能夠監(jiān)視越來越多的電池節(jié)數(shù)量也有助于進(jìn)一步降低成本。bq76PL455A-Q1能夠監(jiān)視多達(dá)16節(jié)電池,并且具有一個(gè)集成式保護(hù)器,從而極大地降低了系統(tǒng)成本,特別是對(duì)于48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)來說更是如此,因?yàn)閱蝹€(gè)IC能夠替代多達(dá)4個(gè)IC、2個(gè)12節(jié)監(jiān)視器和2個(gè)12節(jié)保護(hù)器。
當(dāng)我駕車時(shí),我對(duì)汽車電池組內(nèi)所具有的業(yè)內(nèi)最佳技術(shù)水平而感到高興。我也很愿意駕駛一輛具有更好、更加精確電池管理IC的汽車駛向未來。
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