HEV/EV电池管理系统简介与设计留意事项

本文将解析与电池包和管理电荷状态相关的留意事项。由于电池包由多个电池串联而成，其有效使用性能基于最薄弱的单个电池。电池的电量存在差异是由于制造过程中的化学失衡，在电池包中的位置（热量变化）以及使用或寿命相关的改变……

如图所示，电动车（EV）的基本传动系统由三个系统模块组成。

图1：电动车传动链的简单流程–电池管理系统（BMS）到逆变器，然后到三相交流电机

电池包是由多个电池（通常是纯电动车中的锂电池）组成的阵列，可出现高达数百伏的电压。电池包的电压取决于电动车的系统需求。

系统的第二个组成部分是逆变器。电动车采用的交流牵引电机可在汽车完全停止状态供应加速度，而且非常可靠。电池包的电压为直流（DC），通过逆变器转换成交流（AC）（通常为三相）。与电压相同，相数取决于系统需求和所用电机的类型，但通常为三相。

所用的电机通常为感应电动机，需使用交流电压。此类电机常用于电动车，因为它们易于驱动、性能可靠且具有成本效益。电机的外层组件是定子，上面缠绕着三个线圈。内层通常是由铜条或铝条构成的转子。

本文将解析与电池包和管理电荷状态相关的留意事项。由于电池包由多个电池串联而成，其有效使用性能基于最薄弱的单个电池。电池的电量存在差异是由于制造过程中的化学失衡，在电池包中的位置（热量变化）以及使用或寿命相关的改变。

电池电压之间的差异指示系统层面电池的失衡。造成这种差异的原由至今仍在研究之中。充足知道这一点是非常紧要的，因为它影响着电池包在电力输出方面的继续时间，以及每个单体电池的可用寿命和电池包的使用寿命。

要考虑的最紧要参数之一是电荷状态。由于各个单体电池的电量不同，因此我们以百分比来反映电池之间的电量不平衡情况。倘若一个电池的电荷状态为94％，另一个电池的电荷状态为88％，则两者的电量存在6％的不平衡。此外，每个电池也有不同的电压，称为开路电压（OCV），这是化学电荷状态。

电池包面对的挑战是在汲取电流时，并非每个电池都会以相同的速率损失电量。因此，即使电池串联连接，放电率也会以不同的速度发生。由于一些电池的吸收量低于其他电池，因此它们回收和吸收电量的能力将随着时间而改变。其他条件（包括温度）则会加速该循环。正如前文提到的那样，一些电池单元可能会因其定位或位置靠近散热元件而变得更热。

电池故障的紧要原由是电池完全崩溃，这将影响电池电压，因为电池基本上只是一个降低电压的电阻。戒备这种情况的一种办法是通过电池平衡，电池平衡是管理要怎么样使每个单体电池洋溢电的过程。有几种技术可以实现电池平衡；最简单的办法是在每个单体电池上并联一个电阻和一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），通过监视电压的比较器监测各单体电池的电压，并使用简单的算法开启MOSFET为电池分流。这种办法的缺点是旁路能源浪费。

另一种技术被称为电荷转移，它不使用电阻器，单体电池之间只连接一个电容器。这种技术不会造成旁路能源浪费，但它更复杂，因为您要在更宽距离上连接电池，而不是绕过每个单体电池。

电动车中使用的技术通常是电感式充电，其中变压器连接不平衡的单体电池，因为它是较高功率的系统。电路设计趋于大型，这要设计包括更大的面积以适应执行处理办法所需的电路数量。

所有这些平衡都基于对单电池特点和化学的广泛研究，由使用MATLAB等工具运行它们的电子表格和数学公式来表示。微解决器在系统中起到确保正确执行所有平衡的紧要用途。为了给微解决器供电，DC/DC转换器笔直连接到电池包，并依据系统设计供应48V或12V输出，为系统供电。TI有两个可以为微解决器供电的设备；两者都能够承受苛刻条件下的瞬态特性以及宽电压范围。

附：文中相关的TI产品

LM5165-Q1是一款3V至65V，超低输出同步降压转换器，可在宽输入电压和负载电流范围内供应高效率。该器件具有集成的高端和低端功率MOSFET，能够以3.3V或5V的固定输出电压或可调输出电压的条件下，供应高达150mA的输出电流。该转换器设计旨在简化办法，同时优化诸如电池管理系统等使用性能。在工作温度高达150°C结温（Tj）时，该器件可以承受电动车中的高工作温度范围。

LM46000-Q1SIMpLESWITCHER®稳压器是一款同步降压型DC/DC转换器，能够在3.5V至60V的输入电压范围内驱动高达500mA的负载电流。当您要系统的高输入电压或更大电流时，LM46000-Q1以极小的处理办法尺寸，供应卓越的效率、输出精度和压降电压。

有许多办法可以管理电池包中锂电池的平衡，但设计外观取决于许多因素，如成本、尺寸、热特性及精度要求。在实现之前，要将所有上述因素纳入设计策略的考虑范围。知道有关符合严格汽车和系统要求的TI产品的更多信息，并查看HEV高单体电池数量电池包的系统框图。

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