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面向未来的电动汽车电池管理系统

2021-03-04 Rudye McGlothlin,电源产品营销总监,Silicon Labs公司 阅读:
根据最新调查结果显示,对于尚未考虑抛弃传统内燃机车辆的消费者来说,对电动汽车电池续航能力的担忧,仍是阻碍其购买电动汽车的最重要因素。为了解决这一问题,半导体技术正在不断创新,为实现更快的充电速度和更高的电动汽车续航里程铺平道路。

尽管当前电动汽车(EV)和插电式混合动力汽车(HEV)的生产蓬勃发展,但消费者的实际兴趣可能有些滞后。bgpednc

根据一家汽车研究公司的最新调查结果显示,对于尚未考虑抛弃传统内燃机(ICE)车辆的消费者来说,对电动汽车电池续航能力的担忧,仍是阻碍其购买电动汽车的最重要因素。bgpednc

电动汽车驾驶员通常会遭受一种特有的困扰——日益普遍的“续航焦虑”。内燃机车辆驾驶员就不会有这种焦虑,因为无论他们行驶到任何地方,都可以在附近找到加油站,并且加满油箱的过程一般不会超过几分钟。bgpednc

许多人购买电动汽车纯粹是为了工作通勤。每周五到六天在家和办公室之间往返,这很大程度上可以消除电动汽车续航里程的不确定性;车辆可在家里过夜充电,或者在工作场所附近的快速充电站充电,又或者在工作场所的停车场充电。bgpednc

然而,只要一想到周末的乡间公路旅行,续航焦虑就又回来了。为了解决这一问题,半导体技术正在不断创新,为实现更快的充电速度和更高的电动汽车续航里程铺平道路。bgpednc

电动汽车系统概述

在动力传动系统、能量存储和转换系统方面,电动汽车采用了模块化方法(如1所示)。通常,这些部件包括以下主要电路组件:bgpednc

  • 车载充电器(OBC:车辆的锂离子电池由OBC充电,后者又包括带有功率因数校正(PFC)的AC-DC转换器。
  • 电池管理系统(BMS:BMS负责监测车辆各个电池的状态,以确保实现最高的效率和安全性,防止过热、过度充电或充电不足。
  • DC/DC转换器:高压电池通过DC/DC转换器连接至内部的12V直流网络。内部直流网络为配件供电,并为本地开关转换器提供偏置。
  • 主逆变器:负责将高压DC转换成AC以驱动电动机。它还用于再生制动以及将未使用的能量返回电池。

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1:典型的电动汽车系统架构示例。bgpednc

电池管理系统和CAN总线

对电动汽车电池来说,它们可能会变得越来越强大,但是随着在动力传动系统中增加更复杂的电子设备以实现更有效的维护、充电和使用,对电池的要求也在逐步增加。这些系统需要精确测量重要的安全元素,例如电池组的电压、电流和温度。然而,这些测量是在高压下进行通信的,这会对收集和处理数据的敏感电子设备造成潜在的危险。bgpednc

例如,BMS通过车辆的车载中央计算机将电池状态的基本实时数据传输给驾驶员。确保这种通信的准确性和顺畅运行,对于消除驾驶员的续航焦虑是至关重要的一步。危险在于高压和开关噪声,前者来自电池,未来几年内电池的容量可能会达到800V或更高,而后者则由与中央处理器通信的电池管理系统造成。bgpednc

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2:电池管理系统通信接口。bgpednc

2中简化的BMS系统显示了在与电动汽车子系统之一连接时信号和电源隔离的重要性。现代数字隔离需要在隔离器的两侧都有电源,并且其还可用于为连接到隔离器的其他器件(如CAN总线收发器)供电。高压域在电池组一侧,低压域在CAN收发器一侧。bgpednc

虽然2中的示例着重于CAN总线接口,但在电池组和微控制器(MCU)之间可能还需要额外的隔离。用CAN收发器隔离各个子系统的最佳选择,是使用集成DC-DC电源转换的隔离解决方案,以避免整个系统设计过于复杂。bgpednc

宽禁带半导体的前景

新系统不可避免的引入,将增加半导体和其他电子元件的数量,从而增加对电池电力的需求。通常,这种额外的需求会增加系统的成本和重量,在电动汽车市场中,重量越大意味着整体效率就越低。而且随着总线电压的升高,硅晶体管的成本也将随之增加。bgpednc

很明显,诸如Si MOSFET、IGBT和超结等传统的硅技术已经不再适合电动汽车。业界已经开始采用最先进的宽禁带(WBG)技术进行设计,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),这两种技术在电动汽车中都有其独特的优势。bgpednc

与Si IGBT相比,SiC技术具有更高的工作温度、更高的阻断电压和快得多的开关速度。在电动汽车动力传动系统的核心部分,牵引逆变器会间歇性地将大能量包传输回电池,这将体现出SiC开关的最大优势。另一方面,GaN开关可以为从低功率系统到最高10kW系统(包括AC-DC OBC和DC-DC辅助电源模块)的一系列其他电源系统提供优势。bgpednc

然而,由于GaN和SiC使用了更高的开关速度,它们会产生大量的噪声。因此,随着汽车供应商开始采用WBG功率晶体管来满足不断增长的功率密度需求,基于半导体的隔离变得不再只是值得拥有,而是成为物料清单(BOM)中至关重要的项目。bgpednc

实现更佳的性能

要想真正能和内燃机车辆进行竞争,电动汽车电池管理和电源转换系统就必须做到小巧、轻便且耗电量少,同时还要能为电动机提供高效的动力。bgpednc

要想获得更广泛的采用,不仅要消除人们对续航里程和成本的误解,还要确保电动汽车制造商在设计层面上尽可能使其电池管理系统具备未来适用性。bgpednc

尽管面临挑战,但随着汽车电气化成本的下降和相关系统设计经验的增长,我们将迎来一个新的突破性技术创新发展阶段,各个系统将变得更低温、更快速、更小巧、更高效。届时,我们将看到电动汽车真正的能力。bgpednc

本文为《电子技术设计》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里bgpednc

(责编:赵明灿)bgpednc

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