电动汽车电源设计挑战:高压锂离子电池组管理系统 - 全文

在雪佛兰Volt轿车的中心有一个复杂的电源组管理系统，用于确保给Volt传动系统提供电源的多单元锂离子电池组的安全性和可靠性。

这个管理系统内的电池监视板使用了两个关键的子系统来可靠地监视电池健康状况，并向主处理器提供数字结果，然后由主处理器协调系统的整体操作。将这两个子系统分开来可以看到一个信号接口，它能确保高压电池检测电路和板载通信器件之间有良好的隔离。

在这份拆解报告中，我们回顾了与汽车应用中的高压锂离子电池组管理有关的挑战，并讨论了雪佛兰Volt电池组管理系统的总体架构如何能满足这些挑战要求。特别是，我们讨论了锂离子电池监视方面的要求，重点放在电池监视子系统、数字通信子系统和隔离接口中使用的架构和元件。我们还详细审视了为这个设计选用的部件，包括定制ASIC、飞思卡尔的S9S08DZ32、安华高的ACPL-M43T和英飞凌的TLE6250G。最后，我们讨论了这种针对任务关键型电池组管理提出的特定解决方案的优势，并对可以满足类似设计挑战的可能替代方案进行了权衡考虑。

为了提供汽车电池管理系统中隔离作用的更多信息，我们还提供了三个系列深度视频采访报道。

第1部分：介绍汽车电池管理系统中隔离的作用；

第2部分：讨论为这些应用选择器件时的一些考虑因素；

第3部分：探讨雪佛兰Volt电池管理系统中隔离器件的使用。

电动汽车挑战

雪佛兰Volt是第一批生产的电池动力电动汽车(EV)，仅靠电池可以行驶近40英里。当电池电量接近低位极限时，可以启动汽油发动机产生额外电能，进而将汽车行驶距离扩大到几百英里。在Volt轿车的中心有一个锂离子电池组，长度为1.8米，重181公斤，可以产生16kWh的功率，足以启动驱动电机、给乘用设备供电，并给复杂的电池管理系统供电。这种管理系统的复杂性与飞行系统相当。

IBM高级副总裁Robert LeBlanc指出，Volt软件内容有1000万行代码，超过了据说飞行美国DOD F-35闪电2型联合作战飞机的750万行代码——这个软件规模本身就超过了目前喷气式战斗机代码规模的3倍，据美国政府问责办公室透露。虽然LeBlanc可能选取了一个争议较少的系统进行比较，但Volt确实引发了很多有关于自身的争议。也许还没有其它汽车得到过像Volt这样的关注度。事实上，当Volt测试车辆在停放数周后进行的测试碰撞中发生起火，这个事件马上会引起政府机构的关注，并引发通用汽车的回购——即便在“实际碰撞事故”之后没有发生与电池有关的起火问题，美国国家高速交通安全管理局表示。

最终Volt的成功依赖于公众的接受程度——和它的功能。为了达到这个目的，在设计Volt时，通用汽车与IBM合作对Volt中的“系统之系统”性能进行了仿真。通过使用关键系统的详细模型，IBM软件不仅验证了行为，甚至产生了Volt系统中使用的软件代码的关键部分。由于确保最佳锂离子电池性能和寿命需要复杂的算法，所以这种代码生成和系统建模的方法对确保Volt电池管理系统的性能而言至关重要；事实上，优化这种电池的性能仍然是业界、政府和学术界高度关注的研究课题。对于Volt来说，确保电池性能可以使最终的多板设计(图1)能够将多个嵌入式系统的工作整合成单一完整系统，进而满足对Volt锂离子电池组提出的行驶距离、安全性、性能和更长寿命的要求。
 

 
图1：雪佛兰Volt电池管理系统将所有功能划分为用多块PCB实现的多个子系统。这次拆解的重点是电池接口控制模块——上图从右数第2栏中的红色、蓝色和绿色电路板。(UBM TechInsights提供)

锂离子电池特性

用于满足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的复杂系统与锂离子电池的特性直接相关。在锂离子电池放电时，锂在(典型的)石墨阳极中发生电离，锂离子进入电解液并穿过隔离膜到达阴极，进而产生电荷流动。充电过程与之相反，锂离子从阴极进入电解液并穿过隔离膜流回阳极。

这种化学过程的性能和可靠性取决于电池的温度和电压。在低温环境下，化学反应缓慢，因此会降低电池电压。随着温度的上升，反应速度会加快，直到锂离子电池成份开始分解。当温度高于100℃时，电解液开始分解并释放气体，在没有压力释放机制的电池内将造成压力的堆积。在足够高温度下，锂离子电池可能发生热失控，同时伴随着氧化物的分解和氧气的释放，继而进一步加速温度上升。

据此，使锂离子电池保持在最佳工作状态是Volt电池管理系统的一个关键要求。Volt工程师的问题是要确保可靠的数据收集和分析，以便正确地监视和控制汽车中的锂离子电池状态——这个问题由于锂离子电池自身的特性而变得更加严重。

我们的锂离子电池技术有个特点，即在给定的温度和输出电流值条件下，锂离子电池能够在其容量范围的中段保持近似平坦的电压输出(图2)。虽然这个特性提高了锂离子电池作为一种能源的优势，但也使工程师试图使用简单的电池电压测量方法向用户提供保持电池电量或荷电状态(SOC)的手段变得复杂起来。对于Volt汽车司机来说，精确地SOC测量是准确估计汽车剩余可行驶里程的关键。事实上，在新兴的电动汽车市场中，“里程焦虑”是阻碍电动汽车普及和销量攀升的一个关键因素，因此精确描述SOC非常重要。
 

 
图2：在给定温度和放电电流值条件下，像松下CGR18650CG这样的锂离子电池在放电范围的中间部分具有接近平坦的输出电压。这对能源来说是一种优势，但对需要精确测量荷电状态(SOC)的工程师来说增加了设计复杂性。(松下公司提供)

此外，将SOC保持在特定范围内对于延长电池寿命而言也很重要。电池的荷电状态太低或太高都将比保持在中间值更快地发生性能劣化，而中间这个特定范围一般是根据经验得到的。如果允许完全放电，锂离子电池成分性能将开始恶化，并导致永久损坏。如果允许将锂离子电池充电到推荐的上限电压之上，电池可能会发生过热，或造成结构的永久变形。

在Volt中，通用汽车公司工程师建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根据驾驶模式进行调整。在正常驾驶模式下可以将下限设置为30% SOC，在“山地驾驶”模式下，可以将下限设为更高的45%，以确保有足够的电量上坡，延长行驶时间。当Volt达到合适的SOC下限时，汽车的汽油发动机将被启动，从而延长行驶距离。

估计荷电状态

由于对锂离子电池的荷电状态(SOC)测量不是很可靠，工程师只能进行SOC估计，一般采用基于电流或基于电压的方法进行。

基于电流的方法可以提供最精确的结果。这样的方法会跟踪荷电的变化，实质上是计算充电过程中增加到电池的库仑数或在放电周期中减去的库仑数，然后判断相对于满充状态电池的SOC。然而，自放电损失或电池本身的低效有可能使“库仑计数”方法出现错误。另外，因为连续监视对许多应用来说不切实际，因此库仑计数法需要使用采样方法。在汽车应用中，这种方法必须足够快，并能自动跟踪与加速有关的快速放电以及与再生制动有关的快速充电。

基于电压的方法将电池的瞬态电压输出作为进一步计算的基础来估算SOC，它考虑了电池温度、老化、电流输出和放电速率等变化因素。当与单节锂离子电池在多种工作条件下的精确表征数据一起使用时，电压法可以提供精确的SOC估计结果。对于像Volt这样的产品化汽车来说，维护过程需要精确的电池表征，并需要提供特定的工具和程序，使电池管理系统能学习新电池模块的容量——或在必要时重新学习电池容量。

锂离子电池的化学物质

锂离子电池包含多种化学物质，每一种在能量密度、效率、耐用性和标称电池电压方面具有不同的特性。LG Chem公司为Volt制造的电池使用了本公司的锰尖晶石阴极锂离子化学物质以及专有的安全加强型隔离膜——陶瓷涂覆的半透膜。从整个行业看，锂离子电池被制造成多种形式，包括大家熟悉的圆柱体；移动电话中使用的扁平封装；硬塑棱形封装。用于Volt的LG Chem原装电池使用棱形封装。

正如UBM TechInsights和Munro & Associates的分析师描述的那样，整个雪佛兰Volt电池组由288节棱形锂离子电池组成，这288节电池又被封装成96个电池单元组，最终提供分析师测量到的386.6V直流系统电压。这些电池单元组还要与温度传感器和冷却单元组合在一起形成4个主电池模块。连接每个电池组的电压检测线端接于每个电池模块顶部的连接器，再由电压检测线束将连接器连接到位于每个电池模块顶部的电池接口模块。这里有4种颜色编码的电池接口模块，它们工作在电池组的不同位置，对应4个模块组的直流电压偏移的低压、中压和高压范围。

来自电池接口模块的数据向上传送到电池能量控制模块。这个控制模块再将故障条件、状态和诊断信息传送给混合传动控制模块，后者作为主控制器完成整车级的诊断。在任何时候，整个系统每隔0.1秒都会运行500次以上诊断。其中85%的诊断主要集中于电池组的安全性，剩下的诊断用于电池性能和寿命。

多层电路板

对电池性能的后续分析开始于对电池接口控制模块的重点拆解(图3)。这个模块用了一块4层PCB板，其中大部分元件安装在顶层，还有橙色的电池连接器和黑色的数据通信连接器。最上层有一个地平面和一些信号走线，有些走线通过多个过孔连接到下面的层。在第2层中，在PCB的高压区下方铺有电源和地平面。第3层包含在这些区域下方通过的信号走线。PCB的另一面即第4层用于地平面和信号走线，并包含少许辅助元件。
 

 
图3：雪佛兰Volt中有4块电池接口控制模块PCB，每块PCB整合了多个检测电路和CAN通信电路，并通过位于通信子系统边缘的光耦加以隔离。(UBM TechInsights公司提供)

黑色的ATLPB-21-2AK PCB安装型连接器承载有5V基准、低压基准、信号地、CAN总线高速串行数据、CAN总线低速串行数据以及高压故障信号。橙色电池连接器承载了电池模块温度信号、低压基准以及来自电池单元组的电压检测线。

检测子系统

电池接口控制系统的核心是一个复杂的检测子系统——一个完整的嵌入式系统电路，负责监视每个锂离子电池组的输出电压和电池组的温度。电池电压经过电池连接器到达L9763，一块由意法微电子和LG Chem联合开发的ASIC。

L9763 ASIC可以监视多达10个独立的锂离子电池组，可以通过片上电流检测放大器进行电池－负载－电流的监视，并通过片上的模拟复用器和采样保持电路完成电池电压的监视(图4)。这个器件的差分输入可以在大偏移电压条件下确保毫伏精度的测量，具体取决于电池单元在电池组中的位置。另外，PCB设计师可以联合使用走线版图技术、隔离技术和前面提到的地平面，以确保这种极具挑战的环境中信号的完整性。
 

 
图4：L9763 ASIC包含有用于测量Volt电池组的电压和电流以及通过无源电阻电池平衡技术平衡这些电池中电量的片上电路。(意法微电子公司提供)

根据这些测量结果，L9763的片上电路会将个别电池组切换到外部电阻网络，以便有选择性地给电池放电，从而减小由于大的电压差异引起的应力。这种简单的无源技术为电池平衡提供了简单、低成本的解决方案，但损失了效率，因为能量变成了放电电阻上的热量而损失掉了(图5)。替代性的电池平衡技术是使用有源方法，将最高电压电池的电量存储起来，并重新分配给最低的电池。这种技术需要在每节电池之间顺序切换，并使用电容、电感或变压器来储存或重新分配电量。虽然有源方法与无源方法相比具有节省能量的优势，但增加了系统成本和复杂性。
 

 
图5：无源电池平衡技术(左)将高电压电池切换到放电电阻；有源电池平衡技术可以依次累积电量到电容上(右)或电感上，或者使用变压器将电量分配给低电压电池。(意法微电子提供)。

为了给多单元锂离子电池组充电或放电，设计一般使用恒流或恒压方法，此时充电系统将使用一对MOSFET在达到想要的充电电压时降低充电电流，或在放电操作中增加电流。L9763提供充电泵驱动功率MOSFET器件。L9763会将所监视的锂离子电池的测量数据通过SPI接口传送给飞思卡尔的S9S08DZ32 MCU。L9763还向MCU提供5V LDO输出。针对总的电池管理功能，各个L9763器件是通过片上接口链接的，并由主控制单元通过垂直菊花链通信进行单独寻址。

检测电路MCU

如上所述，锂离子电池的SOC估计是一项复杂的任务，需要足够强大的处理能力。在这个设计中，每个检测子系统都有一个L9763 ASIC和一个飞思卡尔的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，该MCU集成有32kB闪存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振荡器为MCU时钟工作提供参考频率。

在通用汽车－LG Chem设计中，MCU需要执行根据L9763提供的电压和电流测量数据估计SOC所需的运算。虽然SOC算法是专有算法，但硬件配置和维护程序建议这些估计算法能将使用存储的电池表征数据进行的电压驱动估计与在充电过程中用于临时重新校准的更直接电量测量结合起来。由IBM描述的详细系统建模环境的使用提供了一个理想的平台，有助于为优化SOC计算找到合适的数据集，也有助于在广泛采样的工作条件下对方法进行验证确认。

HCS08的安全功能，比如计算机工作正常看门狗定时器，有助于确保可靠的工作，并在发生不可恢复的应用软件故障时自动产生复位信号。在这种应用中特别重要的是，S9S08DZ32内部有个复杂的片上CAN控制器，当不在使用时可以有选择性地断电或进入休眠模式(图6)。为了帮助确保可预测的实时性能，片上控制器集成了5个接收缓存并组成了一个FIFO缓冲器，还有3个发送缓存，允许区分输出消息的优先次序。
 

 
图6：片载CAN控制器是选用飞思卡尔S9S08DZ32 MCU搭建电池接口控制模块检测子系统的关键因素。(飞兆半导体提供)

信号隔离

在雪佛兰Volt的系统之系统中，通信与控制是汽车工作的基础，而Volt提供了多个网络用于隔离和保护各个子系统。上述复杂算法需要管理各个锂离子电池组，并监视特定电池接口控制模块上的每个检测子系统内的电池组。然而，最终总体电池管理需要的关键数据包含在CAN总线信号接口和高压故障信号中。与此同时，系统安全性和可靠性取决于CAN总线网络与高压检测电路的安全隔离度。虽然隔离可以用各种方法和元件实现，但恶劣环境和多种安全法规使得光耦成为这类应用的首选解决方案。

光耦可以提供很高的共模噪声抑制能力，并且基本上不受与汽车等电气噪杂环境有关的EMC和EMI的影响。另外，这类器件都有很厚的多层绝缘，在面临来自电池组的长期直流电压应力以及在测试、充电器连接/断开和直流/直流转换期间可能发生的快速高压瞬态情况时非常有用。

在选择这类重要元件时，针对汽车应用的关键要求包括合适的封装和工作电压指标。虽然性能指标(如速度、数据速率和功耗)仍很重要，但来自快速切换时间和大瞬态电流的EMI方面的考虑因素通常限制了对非常高速器件的需求，相反增加了对调整压摆率和性能以进一步限制EMI的更多灵活性要求。

汽车级光耦

安华高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽车电池接口控制模块PCB中的隔离功能。M43T是安华高R2Coupler系列产品中的一员，是一种汽车级单通道数字光耦，采用5个引脚的SO-5 Jedec表贴封装。为了增强绝缘性能，诸如M43T等安华高的R2Coupler器件使用双绑定线来增强关键功能焊盘(图7)。此外，密封式汽车级LED的使用展示了扩展的可靠性和很宽的温度范围，这要比基于消费级LED的光耦要高得多。以汽车应用为目标的安华高器件的制造符合ISO/TS16949质量系统，并获得了AEC-Q100规范的认证。
 

 
图7：在诸如ACPL-M43T光耦等汽车级R2Coupler器件中，安华高使用双绑定线加固了关键功能焊盘(显示在高亮区)。（安华高科技公司提供）

ACPL-M43T能够很好地满足雪佛兰Volt电池组要求，指标包括567V连续工作电压、6000V最大瞬态过电压、5mm爬电距离和5mm间距。该器件的逻辑高或逻辑低输出在10mA正向输入电流时具有30 kV/μsec的共模瞬态抑制性能，从而能够减少来自其它汽车子系统的瞬态信号进入CAN传输网络的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足够这类设计使用。另外，器件采用了开漏输出方式，设计工程师可以通过调整输出压摆率来降低下游元件中的快速开关可能导致的电磁辐射。下游快速开关元件包括CAN收发器，虽然在CAN物理层传输协议中其固有的EMI相对较低。

在电池接口模块PCB中，M43T器件位于通信部分的边缘，它将通信部分与高压检测子系统隔离开来，而这个高压检测子系统还被更深PCB层中的地平面进一步屏蔽。隔离接口提供3个独立的M43T光耦，分别用于从每个检测电路引出的3根线——即飞思卡尔S9S08DZ32 CAN Tx输出引脚、MCU CAN Rx输入引脚和来自MCU的高电压故障信号。举例来说，MCU CAN Tx引脚的输出信号将通过PCB中的屏蔽信号层到达M43T器件的引脚1阳极给嵌入式LED供电，并导致引脚5 Vo发生状态改变(图8)。隔离后的信号再传送到电池接口模块的通信输出级电路。
 

 
图8：安华高ACPL-M43T光耦用于隔离飞思卡尔S9S08DZ32 MCU和英飞凌CAN收发器之间的信号。(安华高科技公司提供)

CAN物理信号

英飞凌TLE6250G CAN收发器位于通信信号链的末端，是一款经过AEC认证的IC，可以提供物理电缆和CAN协议处理器——这里是S9S08DZ32 MCU(通过光耦隔离)之间的CAN物理层信号。这个器件的额定CAN传输速率是1M波特率，它能处理差分信号线上的CAN_H和CAN_L信号之间的转换，以及由S9S08DZ32发送和接收的CAN占有(dominant)位和空闲(recessive)位。

8引脚的TLE6250G包括了Tx、Rx、Vcc、GND、CAN_H和CAN_L引脚以及两个模式控制引脚：INH和RM。当TLE6250G检测到Rx引脚上的信号从CAN空闲状态改变到CAN占有状态时，器件将交换CAN_H高和CAN_L低(图9)。

状态的这种对称性变化可以有效降低EMI，因为CAN_H上升造成的电磁辐射能被CAN_L的相反方向转变所平衡。
 

 
图9：在CAN物理层中，CAN_H和CAN_L的对称性变化有助于降低EMI。(英飞凌科技公司提供)

TLE6250G器件支持3种工作模式：正常、待机和仅接收。当RM引脚置低时，器件工作在仅接收模式，这对诊断来说很有帮助。当INH引脚置高时，器件进入低功耗待机模式，同时关闭发送和接收功能。

下一代系统

雪佛兰Volt当然是在商用化市场中投入生产的最复杂分布式嵌入式系统应用之一，它的设计在多个领域处于领先水平。在影响Volt成功和电动汽车市场普及的最重要系统中，汽车的锂离子电池和相关的电池管理系统表明了汽车应用中软件和电路重要性的提高。根据最近发布的McKinsey市场调查报告，到2025年，新兴锂离子技术完全可以把电池容量提高80%至110%，价格则随之下降，从而使电动汽车的总体拥有成本能够与内燃机驱动的传统汽车相抗争。对工程师来说，挑战仍然表现为在面对更高的直流电压、电池容量、数据速率和消费者期望值的情况下如何发掘新兴锂离子电池系统的全部潜能。