锂离子电池管理确保电动汽车的安全性和续航里程优化第1部分

电池组是电动工具、踏板车和电动汽车 (EV) 等电池供电产品中最昂贵的组件之一。电池组性能极大地影响了电动汽车的车辆级关心，包括续航里程、电池组使用寿命和充电时间，更不用说车辆的安全性和可靠性。因此，电池管理成为深入研究和持续开发工作的主题也就不足为奇了。

从车辆系统的角度来看，电池组的关键性能指标 (KPI) 包括直流链路电压、能量密度、比功率和电池预期寿命等参数。到目前为止，锂离子(Li-ion)电池提供了良好的效果;然而，锂离子化学对汽车电子设备的电池组“保养和供电”造成了相当大的负担。

锂离子电池的使用要求电池管理单元 (BMU) 在共模电压超过数百伏的嘈杂电气环境中“突破”测量精度的极限。除了监控电池的电压和温度之外，BMU 还必须执行电池平衡和库仑计数等关键功能，同时确保整个电池组在符合严格的 ISO 26262 功能安全要求的安全工作范围内工作。

为什么是锂离子电池?

能量密度 (Wh/l) 和比功率 (Energy/kg) 是 EV 电池设计的两个主要品质因数。这些品质因数由几个车辆级性能参数驱动;也许最重要的是每次充电的范围。为了优化每次充电的续航里程，能量存储必须紧凑且轻便。

能量密度越高，车内可输送的能量容量越大;由于更高的比功率，再加上更轻的有效载荷，可以增加车辆的续航里程。除了影响车辆续航里程外，电池组的紧凑性还为其他关键 EV 系统留出了空间，例如车载充电器和将电能转化为运动的牵引驱动装置。这使得在多个 EV 平台上流行的所谓“滑板”配置成为可能。

我们比较了几种常见的电池技术。目前，锂离子是明确的选择，它的使用在当今的汽车电气化中很普遍。尽管如此，锂离子电池也有缺点。充电很挑剔，很难衡量锂离子电池组的充电状态。

锂离子电池可能很棘手，正如悬浮滑板等消费产品的热失控问题所证明的那样。最后，锂离子是一项昂贵的技术，不仅因为构成电池的特殊材料，还因为为了优化性能和安全性而必须存在的电池和热管理系统的复杂性。

锂离子特性

我们来描绘了典型锂离子电池的充电和放电特性。一旦电池在充电过程中(甚至在放电时)达到饱和状态，电池电压在大部分操作范围内几乎保持恒定。平坦的放电曲线使其成为电动汽车的有吸引力的能源，因为电池在很宽的运行范围内提供几乎恒定的能量。

然而，这一特性以及其他内在品质给电池管理带来了挑战。更重要的是，电池特性在很大程度上决定了车辆的续航里程、电池使用寿命、安全性和车辆的可用性。例如，需要知道用户在充电前可以走多远。

不同的材料构成阳极/阴极，这会影响电池特性。例如，锂离子电池充电至 3.8 V 至 4.2 V，容差约为 ±50 mV，具体取决于所采用的阳极/阴极材料。当充电电流低于电池额定电流的 3% 时，电池被认为已充满电。虽然提高充电电流不会影响总充电时间，但它可以加速时间达到约 70% 容量的平台期。

事实上，将电池充电到低于 100% 的电量对于延长使用寿命是可取的，因为锂离子电池无法接受过度充电而不会造成电池损坏和/或安全性受损。因此，系统设计人员必须权衡范围/充电、电池使用寿命、安全性和充电时间等参数。

还有其他挑战和细微差别需要考虑。电池以阵列形式连接——串联和并联组合以增加电压和容量——这使管理过度充电或充电不足的问题变得复杂。BMU 实施“电池平衡”以确保电池组中的所有电池(串联连接的多个电池)实际上处于相同的充电水平。

出于多种原因，监测电池温度也很重要。充电过程中温度显着升高表明存在故障。此外，锂离子电池在低温(例如冷冻)下不能很好地充电。在这种情况下，BMU 可以加热电池进行补偿。

最后，即使充电和放电受到严格控制，电池的容量也会随着时间的推移而下降，因为它经历了许多充电和放电循环。电动汽车可以通过传达车辆剩余的里程而不是电池容量或充电状态来弥补这一点。一辆全新的汽车可能充电到 70%，放电到 30%。随着电池组老化和容量减少，BMU 可以扩大充电和放电窗口，以使车辆在车辆的使用寿命内保持其“完全充电”行驶范围。

电池单元管理

汽车 EV/混合动力电动汽车 (HEV) 电池包含数百个串联和并联的锂离子电池，从已经讨论的挑战中可以清楚地看出，只有通过适当的电池管理才能维持安全和寿命优化的操作。必须单独诊断和平衡串联中的每个单元。

如果目标是优化车辆级 KPI，则信号路径必须提供估计充电状态所需的精度。具体而言，由于电池的充电/放电曲线的平坦度，电池电压和电池组电流的测量精度至关重要。此外，电池管理解决方案有时会结合库仑计数——测量进出电池组的安培秒流量——作为交叉检查以估计整个堆栈的充电状态。