原创 在未来HEV PHEV电动汽车的重要角色 -电池管理

                 在未来HEV PHEV电动汽车的重要角色 -电池管理

                 (上海皇华信息科技有限公司技术部)   

随着油价飚涨、环保意识增强等因素影响，奠定了电动车是未来汽车业发展的趋势，电动车虽有了一定的历史，但由于不同的背景及技术专长，同样是电动车，在技术上却有很多的差别，接下来看下未来电动车的发展方向

实际电动车(EV，Electric Vehicles )可分为油电混合车(HEV，Hybrid Electric Vehicles )、插电式油电混合车(PHEV，Plug-in Hybrid Electric Vehicle)及纯电动车(BEV，Battery Electric Vehicles)等三大类。

油电混合车(HEV )

HEV的运作原理主要是以电力驱动车辆，同时搭配汽油或柴油传统引擎。在车辆处于滑行或低速状态时(一般为40公里/小时以下)，车辆完全是以电力驱动，但在加速或爬坡的行驶状态时，车内电脑会自动启动传统引擎，提供额外动力以维持车辆续航力。

   HEV成功的关键在于电池电压下降时，车内电脑会启动传统引擎，并且对电池进行充电。而且刹车时，马达也会自动将摩擦的热能转换成电力储存在电池中，虽然无法达到「零排放」的要求，但车主完全不需烦恼充电问题，油耗表现相对于传统汽车又好上许多，而需要高速效能时，车主也可手动切换至传统引擎，实用性完全不输传统汽车。

  HEV主要是以北美、西欧、日本三大市场为重心。主力厂商为丰田及本田(Honda)，其他还有北美三大车厂、日产(Nissan)、法国标致(Peugeot)、中国大陆比亚迪等。

插电式油电混合车(PHEV)

   PHEV的运作原理与HEV相同，但所配备的电池容量更大，因此光靠电池可以行驶更远的距离，不但可以节省更多燃油，温室气体排放量也更低。至于电池的电力回充方式，除了以引擎进行充电之外，也可以家用的外接电源充电，已被视为取代HEV的下一代油电混合车。

   目前PHEV的续航力约在20至60英里(32.2至96.6公里)，乘载的马达约为50至80千瓦，使用的电池容量则视车辆续航力而定，约为6至20千瓦小时不等。

  根据通用汽车公布的资料，旗下PHEV车款中的Chevy Volt，每公升汽油可行驶约21公里，与2007年美国轿车平均值相比，每公升汽油可行驶的距离，足足增加了64%(依照CAFE计算的平均值为每公升12.8公里)  ▲ 油电混合车主要以北美、西欧、日本三大市场为重心。目前，主力厂商为丰田、本田、日产、标致、比亚迪等。

纯电动车(BEV)

   纯电动汽车(Blade Electric Vehicles ,简称BEV)，它是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。

BEV的起步最晚，而且与一样要面对锂电池成本过高的问题。且由于北美市场已经HEV是的天下，未来也可能是由PHEV接手，因此BEV未来的发展重点，应该会是以中国大陆、印度或欧洲市场为主。

电池管理系统的重要性

就混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 而言，使用锂离子电池，可在功率、能量密度、效率和环境影响之间取得最佳平衡。但同时，锂离子电池也是易损坏和危险的，而汽车环境又相当棘手、难以应付。混合动力汽车和电动汽车的电子产品面临的挑战是，弥补要求苛刻的汽车环境和电池敏感性之间的差距。汽车环境的苛刻和电池的敏感堪称地狱中的绝配。

考虑到汽车对能量、功率和环境的要求，安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。锂离子电池以满充电状态或满放电状态工作时，容量会降低。考虑到循环往复的充电、组与组之间的差别和不同的环境条件，每节电池的容量都会随着时间推移而降低并产生偏离。因此，电池组要实现 15 年、5000 个充电周期的目标，每节电池都必须保持在有限的工作范围内工作。通过控制每节锂离子电池的充电状态 (SOC)，可以最大限度地提高电池组的容量，同时最大限度地减轻容量的降低。确保高效率、安全地使用汽车电池组，是电池管理系统 (BMS) 的责任。

电池管理系统的任务是，仔细跟踪和控制每节电池的充电状态。电池管理系统的测量准确度至关重要，因为它决定了每节电池能多么靠近其可靠充电状态范围的边缘工作。最大限度地提高可用容量的能力决定了所需的电池数量，而电池数量对成本和重量有很大的影响，随之而来对电池管理和充电系统要求越来越高，半导体公司正在推进预期能够满足这些要求的产品开发进程   显而易见，电动车產业正朝向提升安全性及行驶里程两大方向发展，其中，鋰电池组不仅是电动车的心脏，更是牵动技术进展的核心。随著厂商陆续投注研发动能，电动车上路安全与性能表现距离市场可接受程度已大幅拉近，BMS电池管理系统更是整个產业能否顺利步上轨道的指标；一旦2013年，BMS大量导入车体设计，即能促使消费者对电动车敞开心房。

下面具体以TI汽车电池管理为例介绍

德州仪器(TI)将率先发表主动平衡电池管理系统(BMS)晶片，抢攻电动车(EV)市。為求电动车续航力能媲美传统汽油车，做为动力心脏的鋰电池模组串联数量剧增，并加诸BMS监控晶片负担，导致旧有被动平衡解决方案面临汰旧换新的潮流，2012年起，BMS供应商為争食市场大饼，导入主动平衡功能已蔚然成风；

观察业界在主动平衡方面仍处於研发阶段，且產品推出时程尚不明朗，德州仪器的主动平衡BMS技术进展领先业界，且产品成熟度及稳定度亦能契合模组厂、系统厂要求，将 有助于早开发符合插电式混合动力车(PHEV)及纯电动车(BEV)鋰电池组的BMS解决方案。

             电池管理IC（bq76PL536）的汽车电池管理系统

2010年上半年，德州仪器电量监测元件bq76PL536已量產，并在下半年获得中国大陆电动公车採用，

bq76PL536 是一款可堆叠式3至6节串联电芯锂离子电池组保护器及模拟前端 (AFE)，它内置一个高精度模数转换器 (ADC)、独立的电池电压和温度保护功能电路、电池电量平衡电路以及一个给用户电路供电的精准5V低压降稳压器 (LDO)。bq76PL536提供了针对过压、欠压和过热状况的全面保护（二级保护）。当超过安全阈值时，bq76PL536将设定FAULT 输出。配置或启用保护功能无需借助外部组件。

电池电压和温度保护功能与ADC无关。bq76PL536拟与一个TMS320F280200等系列主机控制器配合使用，旨在最大限度地提高电池管理系统的功能性。不过，保护功能并不需要主机控制器。bq76PL536可通过垂直堆叠来监测多达192个电芯。而无需在ic之间布设额外的隔离组件

其主要特性与优势包括

bq76PL536A-Q1 集成了电压转换与高精度模数转换器系统，能够高度精确、快速地测量电池单元电压。

bq76PL536A-Q1 可针对过压、欠压及过温情况提供全面保护（二级保护功能）。 超过安全阈值时，bq76PL536A-Q1 可设置故障输出。 无需外部组件便可配置或启用保护特性。

电池电压及温度保护功能无需 ADC 系统干预。 可编程保护阈值与检测延迟时间存储在故障检测／更正 (ECC) OTP EPROM 中，可为电池管理系统实现更高的灵活性与可靠性。

bq76PL536A-Q1 旨在协助主机控制器工作，最大限度地提高电池管理系统的功能性。 不过，该保护功能不需要主机控制器。

bq76PL536A-Q1 可垂直堆栈，无需在 IC 之间添加隔离组件，便可监控多达 192 个电池单元。 高速串行外设接口 (SPI) 总线可在每个 bq76PL536A-Q1 之间运行，从而可通过高电压电池单元堆栈实现可靠的通信。

BQ76PL536A-Q1  主要特性

• 3 至 6 节串联电池支持，支持所有化学成分
• 支持热插拔
• 针对数据通信的高速 SPI
• 可堆栈垂直接口
• IC 之间无需隔离组件
• 符合汽车应用要求
• 温度范围： –40°C 至 105°
• 高精度模数转换器 (ADC)：
  • ±1 mV 典型误差精度
  • 14 位分辨率和 6 µs 转换时间
  • 9 组 ADC 输入（6 组电池电压、1 组 6 体 砖型

电压及2 组温度输入）和1 组通用输入

• 支持同步测量的专用引脚
• ECC-OTP 寄存器中存储的配置数据
• 内置比较器（二级保护器）支持：
  • 过压及欠压保护
  • 过温保护
  • 可编程阈值和延迟时间
  • 专用 故障 信号
• 支持安全超时功能的电池平衡控制输出
  • 通过外部组件设定平衡电流
• 电源电压范围：6 V 至 30 V（连续），乃至 36 V（峰值）
• 低功耗：
  • 12 µA 典型休眠电流与 45 µA 空闲电流
• 5 V、3 mA 集成型高精度 LDO
• 应用
  • 电动汽车与油电混合动力汽车
  • 不间断电源系统 (UPS)
  • 电动自行车和电动摩托车
  • 大型电池系统