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德州儀器:HEV/EV電池管理系統簡介

2025China.cn   2018年08月06日

  電池組是由多個電池(通常是純電動汽車中的鋰離子電池)組成的陣列,可產生高達數百伏的電壓。電池組的電壓取決于電動汽車的系統需求。

  系統的第二個組成部分是逆變器。電動汽車采用的交流牽引電機可在汽車完全停止狀態提供加速度,而且非常可靠。電池組的電壓為直流 (DC),通過逆變器轉換成交流 (AC)(通常為三相)。與電壓一樣,相數取決于系統需求和所用電機的類型,但通常為三相。

  所用的電機通常為感應電動機,需使用交流電壓。此類電機常用于電動汽車,因為它們易于驅動、性能可靠且具有成本效益。電機的外層組件是定子,上面纏繞著三個線圈。內層通常是由銅條或鋁條構成的轉子。

  如圖所示,電動汽車 (EV) 的基本傳動系統由三個系統模塊組成。

  電動汽車傳動鏈的簡單流程 – 電池管理系統(BMS)到逆變器,然后到三相交流電機

  關于與電池組和管理電荷狀態相關的注意事項:由于電池組由多個電池串聯而成,其有效使用性能基于最薄弱的單個電池。電池的電量存在差異是由于制造過程中的化學失衡,在電池組中的位置(熱量變化)以及使用或壽命相關的改變。

  電池電壓之間的差異指示系統層面電池的失衡。造成這種差異的原因至今仍在研究之中。充分了解這一點是非常重要的,因為它影響著電池組在電力輸出方面的持續時間,以及每個單體電池的可用壽命和電池組的使用壽命。

  需要考慮的最重要參數之一是電荷狀態。由于各個單體電池的電量不同,因此我們以百分比來反映電池之間的電量不平衡情況。如果一個電池的電荷狀態為94%,另一個電池的電荷狀態為88%,則兩者的電量存在6%的不平衡。此外,每個電池也有不同的電壓,稱為開路電壓 (OCV),這是化學電荷狀態。

  電池組面臨的挑戰是在汲取電流時,并非每個電池都會以相同的速率損失電量。因此,即使電池串聯連接,放電率也會以不同的速度發生。由于一些電池的吸收量低于其他電池,因此它們回收和吸收電量的能力將隨著時間而改變。其他條件(包括溫度)則會加速該循環。正如前文提到的那樣,一些電池單元可能會因其定位或位置靠近散熱元件而變得更熱。

  電池故障的主要原因是電池完全崩潰,這將影響電池電壓,因為電池基本上只是一個降低電壓的電阻。避免這種情況的一種方法是通過電池平衡,電池平衡是管理如何使每個單體電池充滿電的過程。有幾種技術可以實現電池平衡;最簡單的方法是在每個單體電池上并聯一個電阻和一個金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET),通過監視電壓的比較器監測各單體電池的電壓,并使用簡單的算法開啟 MOSFET 為電池分流。這種方法的缺點是旁路能源浪費。

  另一種技術被稱為電荷轉移,它不使用電阻器,單體電池之間只連接一個電容器。這種技術不會造成旁路能源浪費,但它更復雜,因為您需要在更寬距離上連接電池,而不是繞過每個單體電池。

  電動汽車中使用的技術通常是電感式充電,其中變壓器連接不平衡的單體電池,因為它是較高功率的系統。電路設計趨于大型,這需要設計包括更大的面積以適應實施解決方案所需的電路數量。

  所有這些平衡都基于對單電池特征和化學的廣泛研究,由使用 MATLAB 等工具運行它們的電子表格和數學公式來表示。微處理器在系統中起到確保正確執行所有平衡的重要作用。為了給微處理器供電,DC/DC 轉換器直接連接到電池組,并根據系統設計提供 48V 或 12V 輸出,為系統供電。TI有兩個可以為微處理器供電的設備;兩者都能夠承受苛刻條件下的瞬態特性以及寬電壓范圍。

  LM5165-Q1 是一款 3V 至 65V,超低輸出同步降壓轉換器,可在寬輸入電壓和負載電流范圍內提供高效率。該器件具有集成的高端和低端功率 MOSFET,能夠以 3.3V 或 5V 的固定輸出電壓或可調輸出電壓的條件下,提供高達 150mA 的輸出電流。該轉換器設計旨在簡化方案,同時優化諸如電池管理系統等應用性能。在工作溫度高達150°C 結溫 (Tj) 時,該器件可以承受電動汽車中的高工作溫度范圍。

  LM46000-Q1 SIMPLE SWITCHER? 穩壓器是一款同步降壓型 DC/DC 轉換器,能夠在 3.5V 至60V 的輸入電壓范圍內驅動高達 500mA 的負載電流。當您需要系統的高輸入電壓或更大電流時,LM46000-Q1 以極小的解決方案尺寸,提供卓越的效率、輸出精度和壓降電壓。

  有許多方法可以管理電池組中鋰離子電池的平衡,但設計外觀取決于許多因素,如成本、尺寸、熱特性及精度要求。在實現之前,需要將所有上述因素納入設計策略的考慮范圍。了解有關符合嚴格汽車和系統要求的TI產品的更多信息,并查看 HEV 高單體電池數量電池組的系統框圖。

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