加強能源效率并減少氣體排放的"綠色"汽車，增強保護并提高安全功能水平這兩大主要趨勢正驅(qū)動著新一代汽車的發(fā)展。顯然，采用綠色環(huán)保設(shè)計的汽車不一定就是混合動力汽車（HEV）。其實有許多傳統(tǒng)技術(shù)都可以使汽車更加符合環(huán)保要求，有助改善燃料效率和減少氣體排放，例如直接燃油噴射、可變氣門控制、停缸節(jié)油、渦輪增壓引擎、潤滑引擎等。 隨著汽車制造廠商對下一代電池管理和充電系統(tǒng)要求的確定，半導體公司正在推進預(yù)期能夠滿足這些要求的產(chǎn)品開發(fā)進程。本文將討論與插電式混合動力汽車（PHEV）中的大功率（》3kW）、離線式電池充電器開發(fā)相關(guān)的設(shè)計要求、架構(gòu)及挑戰(zhàn)，并舉例說明為何要為這類應(yīng)用創(chuàng)建數(shù)字電源架構(gòu)。

　　數(shù)字化電源的本質(zhì)在于電源對輸出電流/電壓的PWM調(diào)節(jié)是由數(shù)字芯片按照一定的數(shù)字控制方式和算法產(chǎn)生，這是數(shù)字電源的本質(zhì)特征。那些擴充了8位、16位單片機來提供數(shù)字輸入輸出操作界面、遠程通訊接口但是電源的PWM調(diào)節(jié)還是依賴模擬電源調(diào)制芯片的電源，只能說它們長了個數(shù)字電源的臉，但是沒有數(shù)字電源的"芯"。研究表明，電池和超級電容構(gòu)成的復(fù)合電源有較強的脈沖性能，很適合作為車載電源。如何將以往對車載電源的各種單一性要求，如高效率、功率大、動態(tài)響應(yīng)速度快、多種工作狀態(tài)、高等特點，在復(fù)合電源較好的集中體現(xiàn)出來，這是一個很有挑戰(zhàn)性并且極具現(xiàn)實意義的研究內(nèi)容。

　　電動交通工拒泛指使用高壓電池和電動機進行推進的車輛。與僅用內(nèi)燃機（ICE）提供動力的汽車象比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，電動機在產(chǎn)升扭矩（特殊是在加速過程中）時要比ICE高效得多。

　　電動汽車設(shè)計環(huán)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(nèi)燃機（ICE）提供動力的汽車相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，電動機在產(chǎn)生扭矩（特別是在加速過程中）時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在剎車時回收動能，而其它類汽車只能以熱量的形式損耗掉。電動汽車的優(yōu)點是其污染物的零排放，并擺脫了對石油資源的依賴。

　　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制動能力可進一步改善燃油利用率，并減少碳排放。根據(jù)對電動車未來發(fā)展趨勢預(yù)測：到那時電池成本將降低到現(xiàn)在的40%左右，電動車充電有可能行駛201至303km。這些技術(shù)進步，很有可能驅(qū)動全世界電池電動車和插電式混合動力車市場份額增長到10%。

　　不過，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的法律要求。因此，作為新興汽車PHEV的動力完全來自于清潔電網(wǎng)能量。

　　所謂的串聯(lián)電動汽車與并聯(lián)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，一般大于80kW.在某些情況下，會增加一個小型的、性能經(jīng)過優(yōu)化的續(xù)駛里程ICE,用于解決純電動汽車電池的里程限制問題。ICE用作發(fā)電機給電動機供電，并給電池充電。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、機械和安全系統(tǒng)。因此終需要復(fù)雜和高度智能的功率電子和電池管理系統(tǒng)。

　　電池設(shè)計挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)有一種鋰離子電池電路保護的新方法，通過替代傳統(tǒng)的高成本、占用空間的保護技術(shù)，從而應(yīng)對這些市場挑戰(zhàn)。該新型混合技術(shù)將一個雙金屬保護器和一個PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件并聯(lián)在一起。由此產(chǎn)生的雙金屬與PPTC結(jié)合器件（MHP）可幫助提供在高速放電電池包中的可復(fù)位過流保護，同時通過利用PPTC器件的低阻抗來防止雙金屬保護器在更高電流時的電弧放電行為，并通過加熱雙金屬來保持它的開路和閉鎖狀態(tài)。

    電動推進系統(tǒng)的高成本表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)和元件復(fù)雜度方面，需要采用復(fù)雜和容錯性的汽車智能和功率電子系統(tǒng)連續(xù)管理數(shù)十千瓦的功率。為限度降低成本并限度提高效率，下一代電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)系統(tǒng)設(shè)計工程師需要利用全部可用的電池存儲容量，這要求電池監(jiān)視架構(gòu)必須是全面、準確和魯棒的，但又不會因此而犧牲成本和可靠性。根據(jù)具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個發(fā)送部件的加熱線圈所驅(qū)動的雙金屬條。而在電動汽車中，"油箱"是由串聯(lián)/并聯(lián)的許多電池單元（可能100節(jié)或以上）組成的高壓電池。對電荷狀態(tài)（SOC）的判斷要求對每節(jié)電池進行的電壓測量（在幾個毫伏內(nèi)）。

　　BMS是一個高的系統(tǒng)，用于向中央處理器有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細信息，然后由中央處理器負責計算電池的SOC.不能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(chǎn)生不安全的、潛在性的災(zāi)情。不同的電池適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所以具體應(yīng)用成為激發(fā)更多技術(shù)變革的源泉?！爱攺幕旌蟿恿ο蚣冸妱榆嚢l(fā)展時，可能需要將電池產(chǎn)品性能提高三倍或四倍。

　　為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標準的IC,它們通過硬件內(nèi)置測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護，來確保系統(tǒng)可靠運作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進入深度放電狀態(tài)，或被過度充電，這節(jié)電池可能性損壞，并可能出現(xiàn)熱失控--自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統(tǒng)外還需要二級保護。

　　更先進的BMS能夠同步電壓和電流測量，并作為連續(xù)測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)（SOH）的一個重要指示。

　　圖1：針對多電池數(shù)量應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。

　　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。如果某節(jié)電池單元先于其它電池達到了或電壓，充電或放電周期必須被中斷。（圖中用綠色標示的）單元平衡電路用于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

　　電動汽車充電器是根據(jù)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于240V/480V配線系統(tǒng)，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車電池和連接器約束范圍內(nèi)。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)獲得批準的電動汽車連接器標準，功率限制為16.8kW以下。

　　與用于便攜式電子設(shè)備的電池不同，汽車級電池可以適應(yīng)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，正比于以安培－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(tǒng)的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車電池可以用遠高于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。

　　請注意，電動汽車的電池容量一般是用千瓦時表示，將千瓦時額定值除以標稱電池平坦電壓，可松散關(guān)聯(lián)到電池的安培小時額定值。

　　充電器的架構(gòu)設(shè)計

　　板載充電器必須符合嚴格的電磁兼容性、功率因數(shù)和UL/IEC安全標準方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學工業(yè)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(shè)置點，然后轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓階段，同時監(jiān)視電池電流作為充電周期完成的指示。

　　充電電流（功率）由BMS、混合控制模塊（HCM）和電動車服務(wù)設(shè)備協(xié)商確定，具體取決于使用的輸入電壓、溫度和電池SOC/SOH，以及受HCM監(jiān)視的其它系統(tǒng)考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯性不能打任何折扣。

　　合適的電源架構(gòu)涉及交錯式功率因數(shù)校正（PFC）和隨后的相移全橋電路，如圖2所示?？刂品答亝?shù)由微控制器數(shù)字化。這個微控制器能夠以數(shù)字方式關(guān)閉多個控制環(huán)路，并地調(diào)制高壓MOSFET開關(guān)。集中和高度智能的控制機制可以應(yīng)對模擬技術(shù)不易解決的許多問題。

　　圖2：用于連接交錯式PFC和移相橋的數(shù)字控制接口。

　　更先進的微控制器集成協(xié)處理器（控制律加速器（CLA））和多個高分辨率脈寬調(diào)制器（PWM），前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數(shù)的運算，后者能夠控制功率開關(guān)在150ps內(nèi)。這種架構(gòu)能夠動態(tài)適應(yīng)線路和負載的變化，記錄系統(tǒng)操作參數(shù)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)前瞻性的無差錯算法，同時通過一個地隔離的控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)智能連接所有其它汽車子系統(tǒng)。

　　針對數(shù)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(jīng)驗的軟件設(shè)計師進行集成；另外還能獲得與數(shù)字和模擬電源解決方案作對比的測試。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關(guān)受到實現(xiàn)多模式PFC的PWM1控制，可以產(chǎn)生電池充電器的兼容電壓。

　　從圖3可以明顯看出這種拓撲的適應(yīng)性，其中的數(shù)字補償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數(shù)字技術(shù)還能使系統(tǒng)不易受噪聲和溫度的影響，同時智能同步電源級電路，使干擾并優(yōu)化濾波器設(shè)計。

　　圖3：大功率PFC方法的軟件模塊化編程。

　　圖3闡明了升壓PFC的完整代碼模塊性。類似的代碼構(gòu)造可以用零電壓開關(guān)實現(xiàn)移相橋，從而使轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗達到，同時提高效率。級聯(lián)拓撲能夠達到95%以上的充電器效率，并使系統(tǒng)故障容錯性能化，系統(tǒng)成本降至。