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純電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）正作為新能源車的主力，得到國家的大力推動和財政支持，這包括了“十城千輛”工程的啟動和國家對電動汽車終端用戶高額財政補貼等一系列重大政策的實施。特別是最近公布的新能源汽車試點城市由20個增至25個，以及《節能與新能源汽車產業發展規劃》里提到，未來10年國家將拿出超過1000億元的資金，用以扶持新能源汽車產業鏈的發展。在眾多廠家的努力下，將可使電動汽車產業的規模化和市場化盡早形成。 目前，動力總成控制系統和電機及驅動系統有很多廠家正在研發和改進中，動力電池的能量密度、可充放電次數也已基本達到電動汽車的要求。因此，如何有效地讓電動汽車的動力系統工作在最有效的狀態，電池管理系統做為動力電池系統的監控者，其關鍵的作用就是在保證電池安全使用和壽命的前提下，充分發揮電池能力。 什么是電池管理系統 電池管理系統與電動汽車的動力電池緊密結合在一起，對電池的電壓、電流、溫度進行時刻檢測，同時還進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量、放電功率，報告SOC&SOH狀態，還根據電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程、以及用算法控制充電機進行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、電機控制器、能量控制系統、車載顯示系統等進行實時通訊。 電池管理系統的基本功能如下，這些功能可以滿足大部分手機電池、電動工具、電動自行車的應用。 ·監測單體電芯的工作狀況，例如單體電池電壓、工作電流、環境溫度等。 ·保護電池，避免電池工作在極端的條件下發生電池壽命縮短，損壞，甚至發生爆炸、起火等危害人身安全的事故。 – HW 過壓（OV）和欠壓（UV）保護 – HW過流（OC）和短路（SC）保護 – HW 過高溫（OT）和過低溫（UT）的保護 – 為電池提供多重保護以提高保護和管理系統的可靠性 – 硬件執行的保護具有高可靠性 – 軟件執行的保護具有高的靈活性 – 管理系統關鍵元器件失效的保護為用戶提供第三重保護 電池管理系統的設計要求 電動汽車必須滿足“以人為本”的安全理念以及汽車電子高可靠性的要求。由于電動汽車處在高速行駛（＞80km/hr），車輛的安全駕駛及各種保護動作必須由駕駛員、車輛管理系統，充電器和電池集成系統共同決定，而電池管理系統不僅要為電機提供足夠的動力，已滿足汽車各種工況行駛的要求，而且要采集自身電池的各種信息，對自身工作狀態有一個精確的計算和判斷，然后要把這些信息準確無誤地傳遞給車輛管理系統和駕駛員，使車輛管理系統和駕駛員做出正確的駕駛動作，以便在保證電池安全的前提下，充分發揮電池的潛力，延長電池的壽命。 汽車級電池集成系統必須滿足汽車電子的要求，支持在線檢測和故障診斷等功能，通過TS16949的認證。因此電動汽車用電池集成系統對電池的管理提出了更高的要求： · 電源及動力系統的集總分布式、層次化，模塊，從而提高電池集成系統的壽命 · 電池的溫度檢測和熱管理 · 電池的健康狀況和剩余電量的估算和顯示 · 在電動汽車應用中，告訴駕駛員還可以行駛的距離，并及時通知駕駛員進行電池的充電、維護和更換。由于電池的充放電過程是一個化學過程，電池的健康和荷電狀態的估計算法必須具備很深的理論功底和使用電池的經驗，具有很高的技術含量 · 動力總成技術就是在保證電池在安全使用的前提下，充分發揮電池的潛力，保證電池的性能，提高電池的壽命 · 高可靠的通訊協議 表：電動自行車和電動汽車電池管理方案的介紹和比較 電池管理系統的芯片集成技術 汽車電池系統的可靠性要求極高，特別是高壓監控部分，電池均衡部分。由于集成的解決方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，從而導致： · 元件匹配度不好，信號采集的精度下降 · 外部節點增多，難以做到自動化測試，提高測試成本，降低測試覆蓋率，系統可靠性低 · 外部元件的功耗很難控制 · 系統尺寸大，成本高 凹凸科技(O2Micro)在動力鋰電池的保護和管理技術已經有十年以上的經驗，是全球領先的動力電池管理芯片的供應商。值得關注的是，凹凸科技(O2Micro)是全球第一家提供支持13節電池單芯片前端檢測的方案提供商，該芯片OZ890最多支持16顆串聯可以支持到208節的應用，目前采用該芯片的電池管理系統方案已成功用于純電動車和混合動力車中。隨著電動汽車領域的發展，凹凸科技(O2Micro)的電動汽車電池管理芯片集成了O2Micro在動力電池的最新科技和管理的成果，如高速、高精度數據采樣、高壓通訊技術以及支持全面的系統診斷，使得管理系統性能更加強大，更加可靠。 表：以標準電池模塊為例介紹分立元件的方案和集成方案的比較 由此可見，集成芯片的解決方案對提高系統的可靠性、降低成本具有十分重要的作用，是電池集成技術中硬件設計技術的核心。 凹凸科技電池管理系統方案 目前采用凹凸科技(O2Micro)芯片的電池管理系統方案已成功用于純電動車和混合動力車中。這些鋰電池管理系統的主要架構為：鋰電池管理系統由O2Micro提供前端AFE，帶微處理器的本地控制單元，中央控制單元和一些輸入輸出接口組成。電池管理系統最基本的作用是監控電池的工作狀態，包括電池的單體電壓、系統電壓、系統電流和電池的溫度，實時估算電池的剩余容量，管理電池的工作情況，避免出現過充、過、，過熱，以及單體電池之間電壓嚴重不平衡的現象，以便讓電池達到最大限度的循環壽命。 為了讓電動汽車整車的動力分布更合理以及盡量提供最大的輸出能量，大部分純電動汽車的電池管理系統都是分布式的架構；而混合動力車由于電池包相對比較小，所以會存在集中式的架構。無論何種架構，凹凸科技(O2Micro)的前端檢測芯片都可以實現對電池的監控。 圖：采用凹凸科技(O2Micro) 芯片的鋰電池管理系統的架構圖 在分布式鋰電池管理系統里凹凸科技(O2Micro)的多串電池管理芯片OZ890支持可達13路電壓檢測通道和3路外部溫度檢測通道，作為AFE可以采集系統中所有單個電芯的電壓和溫度信息， 然后通過I2C總線把此信息傳遞給本地電控單元，再經過本地電控單元的處理傳遞給中央電控單元。可以根據系統中每個電池包的電池串的多少，去決定每個電池包中所用的前端檢測芯片OZ890的個數。同時OZ890可以根據采樣的信息以及電控單元的控制，對不平衡的電芯進行均衡控制，以延長整個電池管理系統的壽命。而電池包的個數，更是取決于系統電壓以及整車中動力的排布。 凹凸科技(O2Micro)的前端檢測芯片除了可以應用在鋰電池管理系統中，也可以應用于鉛酸電池管理系統。對于傳統的鉛酸電動車而言，因為不會像鋰電池存在不安全性，所以大部分應用中都沒有采用管理系統。其實鉛酸電池在電動車中同樣需要管理系統來防止電池過充、過放、過溫， 因為這些現象的發生都會對鉛酸電池造成不可逆的損壞，造成整個系統的循環壽命的下降；同時，鉛酸電池的自放電很大，很難控制，就會容易造成電芯之間不均衡的現象，雖然電芯廠已經經歷對電芯實行配組篩選，也很難做到一致，導致部分電池過充或者過放，從而導致電池的壽命下降，也提高了電池的維護成本，所以鉛酸電池管理系統的均衡功能就非常重要。凹凸科技(O2Micro)的電池管理芯片的ADC動態范圍很廣，可以應用于鉛酸電池的管理系統中，做到基于單體電池的監控和均衡，延長了電池的壽命，降低維護成本。 鉛酸電池的管理系統功能和鋰電池系統類似，由于鉛酸電池標準包大部分是12V、6V，或者儲能的2V。 如果12V的包，那就是6個2V的單體組成的包，這也限定了前端采樣的使用個數。而電池包的個數則由整車電壓和整車動力分布所決定。 鉛酸電池管理系統中采用凹凸科技(O2Micro)的OZ8930或 OZ8940芯片作為前端監控，負責鉛酸電池模塊中每個單格2V的采樣，以及有2路溫度檢測通道負責監控鉛酸電池的溫度。AFE所有采集的電池的狀態和信息都會通過I2C傳遞給本地電控單元；本地電控單元處理之后再送給中央電控單元。中央電控單元會根據整個系統中電池的狀態去讓AFE適時對相應的電芯做均衡管理，同樣中央電控單元也會把電池系統的信息反饋給整車中央控制器，整車控制器會根據電池的狀態去控制電機以及充電器，從而保證電池系統在一個安全可靠的范圍內運行。 總結 隨著電動汽車的發展和動力電池普遍使用，電池管理系統的作用越來越重要。電池管理技術就是通過實時檢測和估算電池狀態、溫度、電流、直流內阻、極化電壓、SOC、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并據此提供電池（組）的優化使用方法，既防止電池（組）出現濫用和不合理使用，保障其使用的安全性和長壽命；又能最大限度的發揮其性能，提高車輛運行的效率、駕駛的舒適性，實現電池容量和能量利用的高效性。凹凸科技(O2Micro)通過和系統廠商及電池廠商的緊密協作，越來越多的產品被應用到動力鋰電池的保護和管理的領域，并開發出動力鋰電池的管理系統，成為動力電池管理技術的領跑者和市場的開拓者。凹凸科技(O2Micro)開發的鋰離子和鉛酸電池管理系統，可延長電池的循環壽命，已逐漸應用于電動車和各種儲能市場，極大提高了系統的附加值。凹凸科技(O2Micro)愿意為中國乃至全球電動汽車的發展，貢獻自己的綿薄之力。 |
