中心議題：

• PHEV的數字電源控製和電池管理策略

隨著汽車製造廠商對下一代電池管理和充電係統要求的確定，半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發進程。TI電源係統工程師John Rice將討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率

、離線式電池充電器開發相關的設計要求、架構及挑戰，並舉例說明為何要為這類應用創建數字電源架構。

電動汽車設計環境

電動交通工具泛指使用高壓電池和電動機進行推進的車輛。與僅用內燃機（ICE）提供動力的汽車相比


，這種技術的優勢在於，電動機在產生扭矩（特別是在加速過程中）時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在刹車時回收動能
，而其它類汽車隻能以熱量的形式損耗掉。混合動力汽車（HEV）與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動機輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生製動能力可進一步改善燃油利用率
，並減少碳排放。

不過，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車PHEV的動力完全來自於清潔電網能量。

所謂的串聯電動汽車與並聯HEV不同，不是從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動機
，一般大於80kW。在某些情況下，會增加一個小型的
、性能經過優化的續駛裏程ICE，用於解決純電動汽車電池的裏程限製問題。ICE用作發電機給電動機供電，並給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動機從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全係統。因此最終需要複雜和高度智能的功率電子和電池管理係統。

電池設計挑戰

在過去一百年左右的時間內，工程師已經使汽油推進係統變得十分完善。現在
，OEM及其供應商改變過去的方式，開始組成聯盟，突破常規，集中力量優化電動推進係統。

電(dian)動(dong)推(tui)進(jin)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)成(cheng)本(ben)表(biao)現(xian)在(zai)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)和(he)元(yuan)件(jian)複(fu)雜(za)度(du)方(fang)麵(mian)
，需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)複(fu)雜(za)和(he)容(rong)錯(cuo)性(xing)的(de)汽(qi)車(che)智(zhi)能(neng)和(he)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)連(lian)續(xu)管(guan)理(li)數(shu)十(shi)千(qian)瓦(wa)的(de)功(gong)率(lv)。

在zai傳chuan統tong汽qi油you動dong力li汽qi車che中zhong，測ce量liang油you量liang是shi一yi個ge簡jian單dan任ren務wu。根gen據ju具ju體ti的de汽qi車che，油you量liang表biao可ke能neng隻zhi是shi由you連lian接jie到dao一yi個ge發fa送song部bu件jian的de加jia熱re線xian圈quan所suo驅qu動dong的de雙shuang金jin屬shu條tiao。而er在zai電dian動dong汽qi車che中zhong
，“油箱”是由串聯/並聯的許多電池單元（可能100節或以上）組成的高壓電池。對電荷狀態（SOC）的精確判斷要求對每節電池進行精確的電壓測量（在幾個毫伏內）。

這是電池管理係統的工作。BMS是一個高精度的係統
，用於向中央處理器報告有關電池單元的電壓、電流和溫度等詳細信息
，然後由中央處理器負責計算電池的SOC。不能精確地測量電池不僅會誤報電池SOC，還會縮短電池使用壽命
，或產生不安全的、潛在性的災情。

為了避免出現這種情況
，業界開發出了滿足ISO26262之類新興標準的IC
，它們通過硬件內置測試功能
，以及為電池單元的過壓/欠壓監視等安全關鍵功能提供的N+1冗rong餘yu保bao護hu
，來lai確que保bao係xi統tong可ke靠kao運yun作zuo。如ru果guo電dian池chi組zu中zhong的de一yi節jie電dian池chi被bei迫po進jin入ru深shen度du放fang電dian狀zhuang態tai，或huo被bei過guo度du充chong電dian，這zhe節jie電dian池chi可ke能neng永yong久jiu性xing損sun壞huai，並bing可ke能neng出chu現xian熱re失shi控kong——自我破壞狀態。因此，除了主要的電池監視係統外還需要二級保護。

更先進的BMS能夠同步電壓和電流測量，並作為連續測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態（SOH）的一個重要指示。
圖1顯示了足以用來測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。qingzhuyi，chuanliandianchizuzhongderenheyijiedianchidanyuandouhuixianzhizhenggedianchizurongliang。huanjuhuashuo，ruguomoujiedianchidanyuanxianyuqitadianchidadaolezuidahuozuixiaodianya，chongdianhuofangdianzhouqibixubeizhongduan。（圖中用綠色標示的）單元平衡電路用於確保所有單元被均勻一致地充電和放電。

電池充電器基本原理

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電池充電器基本原理

電動汽車充電器是根據輸出功率/輸入電壓分類的。一類充電器通常集成在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓
，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專用的二類和三類充電器工作於240V/480V配線係統
，能夠以快得多的速率完成充電，但限於汽車電池和連接器約束範圍內。例如
，SAE J1772是目前北美地區唯一獲得批準的電動汽車連接器標準，功率限製為16.8kW以下。

與用於便攜式電子設備的電池不同，汽車級電池可以適應大得多的充電電流，而不會影響電池壽命或接近熱失控。充電器的額定值（C）被定義為流入電池的電流，正比於以安培－小時（Ah）為單位測量的電池容量。例如，一個1C充電器以1A的電流給1Ah電池充電。

盡管傳統的鋰離子電池可能限於1C，但一些汽車電池可以用遠高於這個限值的電流充電，從而縮短再次充電時間。事實上


，工作在480V/三相電壓的大功率三類充電器
，給電動汽車電池充電的時間與加滿一箱油的時間相近。

請qing注zhu意yi，電dian動dong汽qi車che的de電dian池chi容rong量liang一yi般ban是shi用yong千qian瓦wa時shi表biao示shi，將jiang千qian瓦wa時shi額e定ding值zhi除chu以yi標biao稱cheng電dian池chi平ping坦tan電dian壓ya，可ke鬆song散san關guan聯lian到dao電dian池chi的de安an培pei小xiao時shi額e定ding值zhi。例li如ru
，將jiang一yi個ge24 KWh的電池從10%充電到滿充狀態
，日產LEAF電動汽車集成的一款3.3kW充電器需要用8個小時 。

另外需要注意的是，電動汽車電池的放電深度影響電池單元壽命
，因此這種電池在充電周期開始時通常需要保留至少10%的電池容量。

充電器的架構設計

板載充電器必須符合嚴格的電磁兼容性、功率因數和UL/IEC安全標準方麵的工業和政府法規要求。與所有其它的鋰化學工業一樣，電動汽車推進電池充電器采用恒流、恒壓（CC/CV）充電算法

，電池先被可編程的電流源充電，直到它達到電壓設置點，然後轉入穩壓階段
，同時監視電池電流作為充電周期完成的指示。

充電電流（功率）由BMS
、混合控製模塊（HCM）和電動車服務設備協商確定，具體取決於使用的輸入電壓
、溫度和電池SOC/SOH
，以及受HCM監視的其它係統考慮因素。這種控製算法的安全性和容錯性不能打任何折扣。

合適的電源架構涉及交錯式功率因數校正（PFC）和隨後的相移全橋電路，如圖2所示。控製反饋參數由微控製器數字化。這個微控製器能夠以數字方式關閉多個控製環路，並精確地調製高壓MOSFET開關。集中和高度智能的控製機製可以應對模擬技術不易解決的許多問題。

更先進的微控製器集成協處理器（控製律加速器（CLA））和多個高分辨率脈寬調製器（PWM），前者用於加速控製環路傳輸函數的運算
，後者能夠控製功率開關在150psnei。zhezhongjiagounenggoudongtaishiyingxianluhefuzaidebianhua
，jiluxitongcaozuocanshushuju
，bingshixianqianzhanxingdewuchacuosuanfa，tongshitongguoyigedigelidekongzhiquyuwangluozhinenglianjiesuoyouqitaqichezixitong。

最近在數字電源方麵的發展使得這種方法更加可行

，更具成本效益及可擴展性，並且更適合電動汽車中的大功率多相位應用。

針對數字補償和每種可能的電源拓撲的大型
、可擴展的模塊化軟件庫可以由有經驗的軟件設計師進行集成；另外還能獲得與數字和模擬電源解決方案作對比的測試報告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關受到實現多模式PFC的PWM1控製
，可以產生電池充電器的兼容電壓。

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從圖3可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)看(kan)出(chu)這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)的(de)適(shi)應(ying)性(xing)，其(qi)中(zhong)的(de)數(shu)字(zi)補(bu)償(chang)和(he)相(xiang)位(wei)管(guan)理(li)模(mo)塊(kuai)在(zai)軟(ruan)件(jian)控(kong)製(zhi)下(xia)是(shi)可(ke)變(bian)的(de)。采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)還(hai)能(neng)使(shi)係(xi)統(tong)不(bu)易(yi)受(shou)噪(zao)聲(sheng)和(he)溫(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)，同(tong)時(shi)智(zhi)能(neng)同(tong)步(bu)電(dian)源(yuan)級(ji)電(dian)路(lu)，使(shi)幹(gan)擾(rao)最(zui)小(xiao)並(bing)優(you)化(hua)濾(lv)波(bo)器(qi)設(she)計(ji)。

圖3闡明了升壓PFC的de完wan整zheng代dai碼ma模mo塊kuai性xing。類lei似si的de代dai碼ma構gou造zao可ke以yi用yong零ling電dian壓ya開kai關guan實shi現xian移yi相xiang橋qiao，從cong而er使shi轉zhuan換huan器qi開kai關guan損sun耗hao達da到dao最zui小xiao，同tong時shi提ti高gao效xiao率lv。級ji聯lian拓tuo撲pu能neng夠gou達da到dao95%以上的充電器效率，並使係統故障容錯性能最大化，係統成本降至最低。