電子工程師只要和電動(dòng)汽車(chē)（包括純電動(dòng)和混合電動(dòng)）打交道，往往都要在工作中運用各種電池技術(shù)，它們一般都屬于某種形式的鋰離子化學(xué)。然而，如果要管理構成電池組的大量電池，僅憑這些技術(shù)是力不從心的，因此設計人員必須實(shí)施電池管理系統 （BMS），以此來(lái)：

● 保護單個(gè)電池和整個(gè)電池組不受損壞
● 延長(cháng)電池壽命

一旦把這些目標具體化，你將會(huì )收獲一份冗長(cháng)的清單，包含電池保護、充電控制、充電狀態(tài)確定、健康狀態(tài)確定和電池平衡等功能。本文著(zhù)眼于BMS的功能之一——電池平衡，它在電動(dòng)汽車(chē)設計人員必須解決的嚴峻挑戰中非常具有代表性。

電動(dòng)汽車(chē)設計必須面對這樣一個(gè)現實(shí)——所有BMS問(wèn)題在某種程度上都是相互關(guān)聯(lián)而非孤立的（圖1）。因此，當BMS隨著(zhù)電池的狀況或狀態(tài)發(fā)生變化而處理相應的問(wèn)題時(shí)，便會(huì )產(chǎn)生一種「漣漪效應」。BMS體系結構的一大目標是盡可能地把這些子功能分離開(kāi)，讓每一項子功能都可以獨立優(yōu)化，從而有助于實(shí)現全局優(yōu)化設計。

圖1：在電動(dòng)汽車(chē)電源系統中，電池管理系統是最重要的子系統之一。這是一個(gè)涵蓋硬件、軟件和電池化學(xué)等方面的復雜系統，涉及許多與「正�！惯\行有關(guān)的利弊權衡和判斷。［圖源：Maxim Integrated，"The Automotive Experience"（汽車(chē)體驗）］

此外，就如同大多數工程決策一樣，能夠實(shí)現給定目標的單一「正確」方法是不存在的。每種方法都需要在外形和包裝尺寸、可替換單元、重量、數據完整性、系統置信度和成本之間進(jìn)行權衡。具體采用何種方法，還取決于所要實(shí)現的目標，諸如更長(cháng)的續航時(shí)間、更長(cháng)的電池組壽命、電池組對個(gè)別電池表現不佳的容忍度，還有安全性的問(wèn)題。因此，「最佳」的解決方案取決于設計中需要優(yōu)先解決的問(wèn)題。

電池平衡是一個(gè)復雜的問(wèn)題

對于由多個(gè)電池組成的電池組而言，一個(gè)繞不開(kāi)的事實(shí)就是每個(gè)電池之間總存在微小的差異，這種差異源自于不同的生產(chǎn)和運行條件（特別是溫度梯度，對于大型電池組而言可能更明顯）。每次充放電循環(huán)都會(huì )放大這種差異，致使性能較弱的電池變得更弱，直至最終失效，進(jìn)而導致整個(gè)電池組過(guò)早失效。

電池平衡則嘗試讓電池組中所有電池上的電荷達成均衡狀態(tài)，來(lái)補償性能較弱的電池帶來(lái)的影響。業(yè)界現已開(kāi)發(fā)出多種電池平衡方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。電池平衡方法還涉及電池化學(xué)的一個(gè)函數關(guān)系：鋰電池更能夠耐受混合電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)生的「微」充放電循環(huán)，但卻更容易受到電池間差異的影響。然而，鉛酸電池組和鎳氫電池組卻天然地存在一種電池平衡機制，因為此類(lèi)電池在充滿(mǎn)電后，會(huì )通過(guò)放出氣體來(lái)釋放多余的能量，因而只需延長(cháng)充電時(shí)間，就可以讓性能較弱的電池也充滿(mǎn)電。

主動(dòng)平衡和被動(dòng)平衡是最常見(jiàn)的兩種電池平衡技術(shù)。實(shí)際應用中還存在電荷分流、無(wú)損平衡等其他方法，但任何一種方法都逃不過(guò)艱難的利弊權衡。不論主動(dòng)平衡還是被動(dòng)平衡，它們都始于監視每個(gè)電池的充電狀態(tài)（SOC）。該狀態(tài)通過(guò)對流入和流出電池的電流進(jìn)行「庫侖計數」來(lái)測量，有時(shí)電池阻抗測量也可以作為一種補充。在某些情況下，只對每個(gè)電池上的電壓進(jìn)行測量即可。然后，開(kāi)關(guān)電路會(huì )在充電過(guò)程中控制施加到每個(gè)單獨電池的電荷，以均衡電池組中所有電池的電荷。

在主動(dòng)平衡中，電池管理系統會(huì )將電荷從電量較高的電池傳輸到電量較低的電池。這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，因為每個(gè)電池都必須得到評估，而電池總數可能會(huì )多達成百上千個(gè)。部分主動(dòng)電池平衡方案采用的做法是停止對電量已滿(mǎn)的電池進(jìn)行充電，同時(shí)繼續對性能較弱的電池充電，直至所有電池都充滿(mǎn)，從而盡可能充分地利用電池的充電容量。

在被動(dòng)平衡中，電量較高的電池多出的能量會(huì )通過(guò)旁路電阻自動(dòng)消耗掉，直至其電壓或電荷與性能較弱的電池上的電壓相同。這是一種低成本做法，但旁路電阻會(huì )浪費一部分能量，并使整個(gè)電池組的性能完全取決于性能最弱的電池。無(wú)論采用何種方法，要擠出容量和性能的最后一個(gè)百分點(diǎn)，都將大大增加BMS系統復雜性、BOM大小、硬件大小和成本以及軟件集成問(wèn)題。

針對BMS和電池平衡面臨的這項挑戰，Maxim Integrated的MAX14920和與之類(lèi)似的MAX14921兩款電池測量模擬前端（AFE）集成電路可以對電池組中的電池電壓進(jìn)行準確采樣，最高支持+65V電壓；MAX14920最多支持12個(gè)電池，而MAX14921最多支持16個(gè)電池，除此以外兩者完全一致（圖2）。該器件同時(shí)對所有電池電壓采樣，以準確確定充電狀態(tài)和源電阻，這對于大型電池組而言是一項節省時(shí)間的功能。所有電池電壓均在單位增益上進(jìn)行電平移位，使之以接地電壓作為參考，極大地簡(jiǎn)化了外部模數轉換器（ADC）的數據轉換修正工作。

圖2：Maxim的MAX14920和與之類(lèi)似的MAX14921電池測量模擬前端（AFE）集成電路旨在簡(jiǎn)化對電池組中諸多電池之間進(jìn)行電池平衡這一關(guān)鍵任務(wù)。(圖源：Maxim Integrated)

被動(dòng)電池平衡可借助外部FET驅動(dòng)器來(lái)支持。這兩款產(chǎn)品中集成的診斷功能可進(jìn)行斷線(xiàn)檢測以及發(fā)出欠壓/過(guò)壓警報，以進(jìn)一步保障系統完整性。兩款產(chǎn)品的BMS器件均由可實(shí)現菊鏈連接的SPI接口控制，因而通過(guò)單個(gè)SPI端口即可進(jìn)行連接、尋址和管理，并且在SPI控制部分能夠以任意順序選擇任何電池電壓讀數（圖3）。

被動(dòng)電池平衡可借助外部FET驅動(dòng)器來(lái)支持。這兩款產(chǎn)品中集成的診斷功能可進(jìn)行斷線(xiàn)檢測以及發(fā)出欠壓/過(guò)壓警報，以進(jìn)一步保障系統完整性。兩款產(chǎn)品的BMS器件均由可實(shí)現菊鏈連接的SPI接口控制，因而通過(guò)單個(gè)SPI端口即可進(jìn)行連接、尋址和管理，并且在SPI控制部分能夠以任意順序選擇任何電池電壓讀數（圖3）。

圖3：BMS的電池平衡功能可以通過(guò)Maxim MAX14920/MAX14921的SPI控制，以任意順序選擇任何電池電壓讀數。(圖源：Maxim Integrated)

要監控電池，就必須面對準確性的問(wèn)題，對于放電曲線(xiàn)非常平坦的化學(xué)物質(zhì)尤其如此。這兩款Maxim產(chǎn)品都具有很高的精度，非常適合監控鋰金屬磷酸鹽等放電曲線(xiàn)平坦的電池化學(xué)反應。它們帶有低噪聲、低失調的放大器，可緩沖不超過(guò)+5V的任何差分電壓，從而可以監控各種常見(jiàn)的鋰離子（Li+）電池技術(shù)。

結合內部自校準功能，兩款產(chǎn)品測得的電池電壓誤差均為±0.5mV。它們的額定溫度范圍寬達−40°C至+85°C，這是電動(dòng)汽車(chē)工作環(huán)境所必需的。

大電流下的連接器選型不容馬虎

對于以往接觸過(guò)的「高功率」不超過(guò)數百瓦，或者只處理過(guò)10A以下電流的工程師而言，要想實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)電源互聯(lián)，需要采用完全不同于過(guò)往的思路。在電動(dòng)汽車(chē)設計中，大電流、高電壓是各種子系統和組件之間的常態(tài)，為此設計人員必須選用合適的線(xiàn)對板和線(xiàn)對線(xiàn)連接器，在非常嚴苛的振動(dòng)、應力和溫度條件下，滿(mǎn)足頗具挑戰性的功率容量、插拔壽命和機械強度要求。正因如此，在選用與電池子系統相關(guān)聯(lián)的電源連接器時(shí)，其特殊性不容忽視。電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境中的大電流、高電壓?jiǎn)?wèn)題容不得任何「投機取巧」或「以后再說(shuō)」的態(tài)度——這是必須在設計過(guò)程的早期就重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

Phoenix Contact的E-Mobility解決方案就是一種適用于電動(dòng)汽車(chē)平臺的連接器產(chǎn)品系列。該系列各種單品采用多種外殼樣式和觸點(diǎn)布局形式（參見(jiàn)圖4），支持AWG 12和AWG 16兩種線(xiàn)規（具體取決于所選的觸點(diǎn)布局），最高可支持25A電流；尺寸為12的觸點(diǎn)可接受AWG 12 – AWG 14；尺寸為16的觸點(diǎn)可接受AWG 14 – AWG 20。

圖4：Phoenix Contact E-Mobility提供符合多種直流快速充電和交流充電連接器國際標準的各式充電插頭。(圖源：Phoenix Contact)

組合充電系統（CCS）是一種用于電動(dòng)汽車(chē)的標準化充電系統，支持常規交流充電和直流快速充電，這兩種連接器均可以插入到CCS汽車(chē)端插座中。Phoenix Contact E-Mobility提供符合多種直流快速充電和交流充電連接器國際標準的各式充電插頭。除了全面的產(chǎn)品組合外，Phoenix Contact還可以針對客戶(hù)的特殊要求（甚至是標準未涵蓋的要求）開(kāi)發(fā)個(gè)性化解決方案。

圖5：CCS Type 1符合SAE J1772和IEC 62196-3，在美國用于直流快充。2013年初，歐盟委員會(huì )指定使用符合IEC 62196的CCS Type 2充電系統作為全歐洲統一標準。符合GB/T標準的直流充電系統可為中國的充電站提供「充電模式4」所規定的直流快充。獨特的鎖定機制集成在汽車(chē)端連接器中，由Phoenix Contact開(kāi)發(fā)。(圖源：Phoenix Contact)

Phoenix Contact可提供全方位的電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案，包括出自單一來(lái)源并符合Type 1、Type 2或GB/T標準的連接器，以及適用于各種E-Mobility應用的充電控制器，涵蓋從家用和商用，到大型、公用電動(dòng)汽車(chē)充電控制器，再到定制解決方案的各種應用場(chǎng)景。

總結

電動(dòng)汽車(chē)所需的電力源自電池和電池組中無(wú)形但至關(guān)重要的化學(xué)反應，而在將電流輸送到所需位置的路上，有形而又顯眼的連接器和觸點(diǎn)則構成了一個(gè)個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)，必須在諸多細節方面加以高度關(guān)注和謹慎處理。電動(dòng)汽車(chē)中的器件在電壓和功率水平、工作環(huán)境和用戶(hù)期望等方面具有顯著(zhù)的特殊性，因而對便攜式消費類(lèi)設備并不構成多大影響的問(wèn)題，在電動(dòng)汽車(chē)中卻可能關(guān)系重大，這些問(wèn)題包括電池組在極端條件乃至非正常條件下的性能（包括散熱處理、電池平衡）、連接器IR壓降，以及如何讓連接器在固定牢靠的同時(shí)又易于拔出等等。這些問(wèn)題必須從多個(gè)角度加以審視和解決，并且要明確關(guān)注目標的優(yōu)先級、需要權衡的方面以及各種解決方案之間的相互作用。

參考資料
1. https://www.mouser.cn/applications/automotive-hev-main-inverter/
2. http://www.mouser.cn/ds/2/256/MAX14920-MAX14921-252827.pdf
3. http://www.mouser.cn/pdfdocs/PhoenixContactsolutionsbrochurefore-mobilit...



作者：Bill Schweber

Bill Schweber是貿澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫(xiě)了三本關(guān)于電子通信系統的教科書(shū)，以及數百篇技術(shù)文章、意見(jiàn)專(zhuān)欄和產(chǎn)品功能介紹。在過(guò)去的職業(yè)生涯中，他曾擔任多個(gè)EE Times子網(wǎng)站的網(wǎng)站管理員以及EDN執行編輯和模擬技術(shù)編輯。他在A(yíng)DI公司（模擬與混合信號IC的領(lǐng)先供應商）負責營(yíng)銷(xiāo)傳播工作，因此他在技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面都很有經(jīng)驗，既能向媒體展示公司產(chǎn)品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。

在擔任ADI的MarCom職位之前，Bill曾是一名備受尊敬的技術(shù)期刊副主編，并曾在其產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和應用工程團隊工作。在擔任這些職務(wù)之前，他曾在英斯特朗公司（Instron Corp.,）實(shí)操模擬和電源電路設計以及用于材料測試機器控制的系統集成。

他擁有哥倫比亞大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和馬薩諸塞大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，是注冊專(zhuān)業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無(wú)線(xiàn)電執照。他還規劃、編寫(xiě)并演示了各種工程主題的在線(xiàn)課程，包括MOSFET基礎知識，ADC選擇和驅動(dòng)LED。