鉅大LARGE | 點擊量：1234次 | 2021年08月26日
高壓鋰離子電池包管理系統(tǒng)解析
在雪佛蘭Volt轎車的中心有一個復雜的電源組管理系統(tǒng)，用于確保給Volt傳動系統(tǒng)供應電源的多單元鋰離子電池包的安全性和可靠性。
這個管理系統(tǒng)內(nèi)的電池監(jiān)視板使用了兩個關鍵的子系統(tǒng)來可靠地監(jiān)視電池健康狀況，并向主解決器供應數(shù)字結(jié)果，然后由主解決器協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整體操作。將這兩個子系統(tǒng)分開來可以看到一個信號接口，它能確保高壓電池測試電路和板載通信器件之間有良好的隔離。
在這份拆解報告中，我們回顧了與汽車使用中的高壓鋰離子電池包管理有關的挑戰(zhàn)，并討論了雪佛蘭Volt電池包管理系統(tǒng)的總體架構要怎么樣能滿足這些挑戰(zhàn)要求。特別是，我們討論了鋰離子電池監(jiān)視方面的要求，重點放在電池監(jiān)視子系統(tǒng)、數(shù)字通信子系統(tǒng)和隔離接口中使用的架構和元件。我們還具體審視了為這個設計選用的部件，包括定制ASIC、飛思卡爾的S9S08DZ32、安華高的ACpL-M43T和英飛凌的TLE6250G。最后，我們討論了這種針對任務關鍵型電池包管理提出的特定處理辦法的優(yōu)點，并對可以滿足類似設計挑戰(zhàn)的可能替代辦法進行了權衡考慮。
為了供應汽車電池管理系統(tǒng)中隔離用途的更多信息，我們還供應了三個系列深度視頻采訪報道。
第1部分：解析汽車電池管理系統(tǒng)中隔離的用途；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第2部分：討論為這些使用選擇器件時的一些考慮因素；
第3部分：探討雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)中隔離器件的使用
電動汽車挑戰(zhàn)
雪佛蘭Volt是第一批加工的電池動力電動汽車(EV)，僅靠電池可以行駛近40英里。當電池電量接近低位極限時，可以啟動汽油發(fā)動機出現(xiàn)額外電能，進而將汽車行駛距離張大到幾百英里。在Volt轎車的中心有一個鋰離子電池包，長度為1.8米，重181公斤，可以出現(xiàn)16kWh的功率，足以啟動驅(qū)動電機、給乘用設備供電，并給復雜的電池管理系統(tǒng)供電。這種管理系統(tǒng)的復雜性與飛行系統(tǒng)相當。
IbM高級副總裁RobertLeblanc指出，Volt軟件內(nèi)容有1000萬行代碼，超過了據(jù)說飛行美國DODF-35閃電2型聯(lián)合飛機的750萬行代碼這個軟件規(guī)模本身就超過了目前噴氣式戰(zhàn)役機代碼規(guī)模的3倍，據(jù)美國政府問責辦公室透露。雖然Leblanc可能選取了一個爭議較少的系統(tǒng)進行比較，但Volt實在引發(fā)了很多有有關自身的爭議。也許還沒有其它汽車得到過像Volt這樣的關注度。事實上，當Volt探測車輛在停放數(shù)周后進行的探測碰撞中發(fā)生起火，這個事件馬上會引起政府機構的關注，并引發(fā)通用汽車的回購即便在實際碰撞事故之后沒有發(fā)生與電池有關的起火問題，美國國家高速交通安全管理局表示。
最終Volt的成功依靠于公眾的接受程度和它的功能。為了達到這個目的，在設計Volt時，通用汽車與IbM合作對Volt中的系統(tǒng)之系統(tǒng)性能進行了仿真。通過使用關鍵系統(tǒng)的具體模型，IbM軟件不僅驗證了行為，甚至出現(xiàn)了Volt系統(tǒng)中使用的軟件代碼的關鍵部分。由于確保最佳鋰離子電池性能和壽命要復雜的算法，所以這種代碼生成和系統(tǒng)建模的辦法對確保Volt電池管理系統(tǒng)的性能而言至關緊要；事實上，優(yōu)化這種電池的性能依然是業(yè)界、政府和學術界高度關注的研究課題。有關Volt來說，確保電池性能可以使最終的多板設計(圖1)能夠?qū)⒍鄠€嵌入式系統(tǒng)的工作整合成單一完整系統(tǒng)，進而滿足對Volt鋰離子電池包提出的行駛距離、安全性、性能和更長壽命的要求。
圖1：雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)將所有功能劃分為用多塊pCb實現(xiàn)的多個子系統(tǒng)。這次拆解的重點是電池接口控制模塊上圖從右數(shù)第2欄中的紅色、藍色和綠色電路板。(UbMTechInsights供應)
鋰離子電池特性
用于滿足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的復雜系統(tǒng)與鋰離子電池的特性筆直相關。在鋰離子電池放電時，鋰在(典型的)石墨陽極中發(fā)生電離，鋰離子進入電解液并穿過隔離膜到達陰極，進而出現(xiàn)電荷流動。充電過程與之相反，鋰離子從陰極進入電解液并穿過隔離膜流回陽極。
這種化學過程的性能和可靠性取決于電池的溫度和電壓。在低溫環(huán)境下，化學反應緩慢，因此會降低電池電壓。隨著溫度的上升，反應速度會加快，直到鋰離子電池成份開始分析。當溫度高于100℃時，電解液開始分析并釋放氣體，在沒有壓力釋放機制的電池內(nèi)將造成壓力的堆積。在足夠高溫度下，鋰離子電池可能發(fā)生熱失控，同時伴隨著氧化物的分析和氧氣的釋放，繼而進一步加速溫度上升。
據(jù)此，使鋰離子電池保持在最佳工作狀態(tài)是Volt電池管理系統(tǒng)的一個關鍵要求。Volt工程師的問題是要確?？煽康臄?shù)據(jù)收集和分解，以便正確地監(jiān)視和控制汽車中的鋰離子電池狀態(tài)這個問題由于鋰離子電池自身的特性而變得更加嚴重。
我們的鋰離子電池技術有個特點，即在給定的溫度和輸出電流值條件下，鋰離子電池能夠在其容量范圍的中段保持近似平坦的電壓輸出(圖2)。雖然這個特性提高了鋰離子電池作為一種能源的優(yōu)點，但也使工程師試圖使用簡單的電池電壓測量辦法向用戶供應保持電池電量或荷電狀態(tài)(SOC)的手段變得復雜起來。有關Volt汽車司機來說，精確地SOC測量是準確估計汽車剩余可行駛里程的關鍵。事實上，在新興的電動汽車市場中，里程焦慮是妨礙電動汽車普及和銷量攀升的一個關鍵因素，因此精確描述SOC非常緊要。
圖2：在給定溫度和放電電流值條件下，像松下CGR18650CG這樣的鋰離子電池在放電范圍的中間部分具有接近平坦的輸出電壓。這對能源來說是一種優(yōu)點，但對要精確測量荷電狀態(tài)(SOC)的工程師來說新增了設計復雜性。
此外，將SOC保持在特定范圍內(nèi)有關延長電池壽命而言也很緊要。電池的荷電狀態(tài)太低或太高都將比保持在中間值更快地發(fā)生性能劣化，而中間這個特定范圍一般是依據(jù)相關相關經(jīng)驗得到的。倘若準許完全放電，鋰離子電池成分性能將開始惡化，并導致永久損壞。倘若準許將鋰離子電池充電到推薦的上限電壓之上，電池可能會發(fā)生過熱，或造成結(jié)構的永久變形。
在Volt中，通用汽車公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以依據(jù)駕駛模式進行調(diào)整。在正常駕駛模式下可以將下限設置為30%SOC，在山地駕駛模式下，可以將下限設為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長行駛時間。當Volt達到適宜的SOC下限時，汽車的汽油發(fā)動機將被啟動，從而延長行駛距離。
估計荷電狀態(tài)
由于對鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測量不是很可靠，工程師只能進行SOC估計，一般采用基于電流或基于電壓的辦法進行。
基于電流的辦法可以供應最精確的結(jié)果。這樣的辦法會跟蹤荷電的變化，實質(zhì)上是計算充電過程中新增到電池的庫侖數(shù)或在放電周期中減去的庫侖數(shù)，然后判斷相有關滿充狀態(tài)電池的SOC。然而，自放電損失或電池本身的低效有可能使庫侖計數(shù)辦法出現(xiàn)錯誤。另外，因為繼續(xù)監(jiān)視對許多使用來說不切實際，因此庫侖計數(shù)法要使用采樣辦法。在汽車使用中，這種辦法非得足夠快，并能自動跟蹤與加速有關的快速放電以及與再生制動有關的快速充電。
基于電壓的辦法將電池的瞬態(tài)電壓輸出作為進一步計算的基礎來估算SOC，它考慮了電池溫度、老化、電流輸出和放電速率等變化因素。當與單節(jié)鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數(shù)據(jù)一起使用時，電壓法可以供應精確的SOC估計結(jié)果。有關像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車來說，維護過程要精確的電池表征，并要供應特定的工具和程序，使電池管理系統(tǒng)能學習新電池模塊的容量或在必要時重新學習電池容量。
鋰離子電池的化學物質(zhì)
鋰離子電池組含多種化學物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標稱電池電壓方面具有不同的特性。LGChem公司為Volt制造的電池使用了本公司的錳尖晶石陰極鋰離子化學物質(zhì)以及專有的安全增強型隔離膜陶瓷涂覆的半透膜。從整個行業(yè)看，鋰離子電池被制造成多種形式，包括大家熟悉的圓柱體；移動電話中使用的扁平封裝；硬塑棱形封裝。用于Volt的LGChem原裝電池使用棱形封裝。
正如UbMTechInsights和MunroAssociates的分解師描述的那樣，整個雪佛蘭Volt電池包由288節(jié)棱形鋰離子電池包成，這288節(jié)電池又被封裝成96個電池單元組，最終供應分解師測量到的386.6V直流系統(tǒng)電壓。這些電池單元組還要與溫度傳感器和冷卻單元組合在一起形成4個主電池模塊。連接每個電池包的電壓測試線端接于每個電池模塊頂部的連接器，再由電壓測試線束將連接器連接到位于每個電池模塊頂部的電池接口模塊。這里有4種顏色編碼的電池接口模塊，它們工作在電池包的不同位置，對應4個模塊組的直流電壓偏移的低壓、中壓和高壓范圍。
來自電池接口模塊的數(shù)據(jù)向上傳送到電池能量控制模塊。這個控制模塊再將故障條件、狀態(tài)和診斷信息傳送給混合傳動控制模塊，后者作為主控制器完成整車級的診斷。在任何時候，整個系統(tǒng)每隔0.1秒都會運行500次以上診斷。其中85%的診斷緊要聚集于電池包的安全性，剩下的診斷用于電池性能和壽命。
多層電路板
對電池性能的后續(xù)分解開始于對電池接口控制模塊的重點拆解(圖3)。這個模塊用了一塊4層pCb板，其中大部分元件安裝在頂層，還有橙色的電池連接器和黑色的數(shù)據(jù)通信連接器。最上層有一個地平面和一些信號走線，有些走線通過多個過孔連接到下面的層。在第2層中，在pCb的高壓區(qū)下方鋪有電源和地平面。第3層蘊含在這些區(qū)域下方通過的信號走線。pCb的另一面即第4層用于地平面和信號走線，并蘊含少許輔助元件。
圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊pCb，每塊pCb整合了多個測試電路和CAN通信電路，并通過位于通信子系統(tǒng)邊緣的光耦加以隔離。(UbMTechInsights公司供應)
黑色的ATLpb-21-2AKpCb安裝型連接器承載有5V基準、低壓基準、信號地、CAN總線高速串行數(shù)據(jù)、CAN總線低速串行數(shù)據(jù)以及高壓故障信號。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號、低壓基準以及來自電池單元組的電壓測試線。
測試子系統(tǒng)
電池接口控制系統(tǒng)的核心是一個復雜的測試子系統(tǒng)一個完整的嵌入式系統(tǒng)電路，負責監(jiān)視每個鋰離子電池包的輸出電壓和電池包的溫度。電池電壓經(jīng)過電池連接器到達L9763，一塊由意法微電子和LGChem聯(lián)合開發(fā)的ASIC。
L9763ASIC可以監(jiān)視多達10個獨立的鋰離子電池包，可以通過片上電流測試放大器進行電池－負載－電流的監(jiān)視，并通過片上的模擬復用器和采樣保持電路完成電池電壓的監(jiān)視(圖4)。這個器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測量，詳盡取決于電池單元在電池包中的位置。另外，pCb設計師可以聯(lián)合使用走線版圖技術、隔離技術和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中信號的完整性。
圖4：L9763ASIC蘊含有用于測量Volt電池包的電壓和電流以及通過無源電阻電池平衡技術平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司供應)
依據(jù)這些測量結(jié)果，L9763的片上電路會將個別電池包切換到外部電阻網(wǎng)絡，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應力。這種簡單的無源技術為電池平衡供應了簡單、低成本的處理辦法，但損失了效率，因為能量變成了放電電阻上的熱量而損失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術是使用有源辦法，將最高電壓電池的電量存儲起來，并重新分配給最低的電池。這種技術要在每節(jié)電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲存或重新分配電量。雖然有源辦法與無源辦法相比具有節(jié)省能量的優(yōu)點，但新增了系統(tǒng)成本和復雜性。
圖5：無源電池平衡技術(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子供應)。
為了給多單元鋰離子電池包充電或放電，設計一般使用恒流或恒壓辦法，此時充電系統(tǒng)將使用一對MOSFET在達到想要的充電電壓時降低充電電流，或在放電操作中新增電流。L9763供應充電泵驅(qū)動功率MOSFET器件。L9763會將所監(jiān)視的鋰離子電池的測量數(shù)據(jù)通過SpI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32MCU。L9763還向MCU供應5VLDO輸出。針對總的電池管理功能，各個L9763器件是通過片上接口鏈接的，并由主控制單元通過垂直菊花鏈通信進行單獨尋址。
測試電路MCU
如上所述，鋰離子電池的SOC估計是一項復雜的任務，要足夠強大的解決能力。在這個設計中，每個測試子系統(tǒng)都有一個L9763ASIC和一個飛思卡爾的S9S08DZ3240-MHzHCS08MCU，該MCU集成有32kb閃存、2kbRAM和1kbE2pROM。外部4MHz振蕩器為MCU時鐘工作供應參考頻率。
在通用汽車－LGChem設計中，MCU要執(zhí)行依據(jù)L9763供應的電壓和電流測量數(shù)據(jù)估計SOC所需的運算。雖然SOC算法是專有算法，但硬件配置和維護程序提議這些估計算法能將使用存儲的電池表征數(shù)據(jù)進行的電壓驅(qū)動估計與在充電過程中用于臨時重新校準的更筆直電量測量結(jié)合起來。由IbM描述的具體系統(tǒng)建模環(huán)境的使用供應了一個理想的平臺，有助于為優(yōu)化SOC計算找到適宜的數(shù)據(jù)集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對辦法進行驗證確認。
HCS08的安全功能，比如計算機工作正?？撮T狗按時器，有助于確?？煽康墓ぷ鳎⒃诎l(fā)生不可恢復的使用軟件故障時自動出現(xiàn)復位信號。在這種使用中特別緊要的是，S9S08DZ32內(nèi)部有個復雜的片上CAN控制器，當不在使用時可以有選擇性地斷電或進入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預測的實時性能，片上控制器集成了5個接收緩存并組成了一個FIFO緩沖器，還有3個發(fā)送緩存，準許區(qū)分輸出消息的優(yōu)先次序。
圖6：片載CAN控制器是選用飛思卡爾S9S08DZ32MCU搭建電池接口控制模塊測試子系統(tǒng)的關鍵因素。(飛兆半導體供應)
信號隔離
在雪佛蘭Volt的系統(tǒng)之系統(tǒng)中，通信與控制是汽車工作的基礎，而Volt供應了多個網(wǎng)絡用于隔離和保護各個子系統(tǒng)。上述復雜算法要管理各個鋰離子電池包，并監(jiān)視特定電池接口控制模塊上的每個測試子系統(tǒng)內(nèi)的電池包。然而，最終總體電池管理要的關鍵數(shù)據(jù)蘊含在CAN總線信號接口和高壓故障信號中。與此同時，系統(tǒng)安全性和可靠性取決于CAN總線網(wǎng)絡與高壓測試電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種辦法和元件實現(xiàn)，但惡劣環(huán)境和多種安全法規(guī)使得光耦成為這類使用的首選處理辦法。
下一代系統(tǒng)
雪佛蘭Volt當然是在商用化市場中投入加工的最復雜分布式嵌入式系統(tǒng)使用之一，它的設計在多個范疇處于領先水平。在影響Volt成功和電動汽車市場普及的最緊要系統(tǒng)中，汽車的鋰離子電池和相關的電池管理系統(tǒng)聲明了汽車使用中軟件和電路緊要性的提高。依據(jù)最近公布的McKinsey市場調(diào)查報告，到2025年，新興鋰離子技術完全可以把電池容量提高80%至110%，價格則隨之下降，從而使電動汽車的總體擁有成本能夠與內(nèi)燃機驅(qū)動的傳統(tǒng)汽車相抗爭。對工程師來說，挑戰(zhàn)依然表現(xiàn)為在面對更高的直流電壓、電池容量、數(shù)據(jù)速率和消費者期待值的情況下要怎么樣發(fā)掘新興鋰離子電池系統(tǒng)的全部潛能。
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