進(jìn)階的電動(dòng)兩輪車：更低成本，更高性能的BMS解決方案

電動(dòng)兩輪車作為國(guó)內(nèi)主要的中短途代步工具，截止到2020年，中國(guó)市場(chǎng)的保有量已經(jīng)超過(guò)3億輛。這是一個(gè)非常龐大的市場(chǎng)，可以說(shuō)幾乎每家每戶都有一輛電動(dòng)兩輪車。針對(duì)這樣一個(gè)市場(chǎng)巨大的應(yīng)用，本文將對(duì)TI的典型BMS解決方案進(jìn)行介紹。

雖然鋰電池相比鉛酸電池具有更高的能量密度和性價(jià)比，并且在新國(guó)標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下將成為電動(dòng)兩輪車的主流，但不可忽視的是鋰電池相比鉛酸電池而言，危險(xiǎn)性更高，若不謹(jǐn)慎對(duì)待，很容易發(fā)生失火，爆炸等危險(xiǎn)，因此這也對(duì)BMS解決方案提出了更高的要求。

面對(duì)由鋰電池組提供動(dòng)力的電動(dòng)兩輪車應(yīng)用，TI提供了有競(jìng)爭(zhēng)力的BMS解決方案。按照電池串?dāng)?shù)，我們可以將電動(dòng)兩輪車大致分為電動(dòng)自行車(≤16S) 和電摩(>16S)兩類。

電動(dòng)自行車

電動(dòng)自行車通常為16S及其以下的電池包。以16S電動(dòng)自行車電池包為例，下圖是一個(gè)典型的基于TI產(chǎn)品的BMS解決方案。關(guān)鍵器件采用了TI的最新產(chǎn)品，具有更低成本的同時(shí)具備更高的性能，幫助大家實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的BMS設(shè)計(jì)。

寬輸出范圍直流變換器輸出特性

從結(jié)構(gòu)上看，我們可以大致分為5個(gè)部分：

●   電池監(jiān)控與保護(hù)

●   電池管理與控制

●   充放電功率通路

●   通信與傳感

●   輔助電源

下面針對(duì)各個(gè)部分的關(guān)鍵器件進(jìn)行介紹：

電池監(jiān)控與保護(hù)

該部分主要包括模擬前端和二次保護(hù)芯片。該部分主要是對(duì)每一節(jié)電池進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，防止電池超出安全工作區(qū)，引發(fā)危險(xiǎn)。

●   模擬前端：BQ76952

BQ76952是TI最新一代的高串?dāng)?shù)模擬前端，它支持3-16串的應(yīng)用。同系列的產(chǎn)品還有BQ76942和BQ769142，分別支持3-10串和3-14串的應(yīng)用，使用者可按照實(shí)際需要進(jìn)行選擇。BQ769x2集成了過(guò)壓，欠壓，過(guò)溫，過(guò)流，短路等應(yīng)對(duì)各種故障情況下的一次保護(hù)。支持I2C、SPI、HDQ等多種通訊方式。集成了內(nèi)部電池均衡，同時(shí)也支持外部均衡。此外BQ769x2還支持亂序上電，極大節(jié)省了產(chǎn)線裝配時(shí)間及其成本。而集成的高邊驅(qū)動(dòng)，相比上一代產(chǎn)品BQ769x0，對(duì)于高邊保護(hù)的應(yīng)用，可以節(jié)省一顆驅(qū)動(dòng)IC—BQ76200。并且BQ76952不僅可以和MCU搭配使用，也可以脫離MCU，獨(dú)立運(yùn)行，適用于低成本的應(yīng)用場(chǎng)合。

●   二次保護(hù)：BQ77216

為了避免因?yàn)槟M前端故障，導(dǎo)致電池包處于沒(méi)有保護(hù)的危險(xiǎn)境地，通常還會(huì)有二次保護(hù)，在發(fā)生嚴(yán)重故障并且一次保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，二次保護(hù)啟動(dòng)，熔斷保險(xiǎn)絲，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

BQ77216是TI最新的針對(duì)電動(dòng)兩輪車應(yīng)用所開發(fā)的二次保護(hù)芯片，也是筆者所知目前為止市面上第一款且唯一一款支持16串的二次保護(hù)芯片。以往的方案都是采用若干顆5S的二段保護(hù)IC, 如BQ7718加上一些外圍的邏輯以及阻容進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用。單芯片的方案不僅節(jié)省了成本，而且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與布板的難度，提高了PCB的利用率，同時(shí)可靠性也得到了加強(qiáng)。BQ77216有多種配置可選，使用者可以按照實(shí)際需要選擇合適的型號(hào)，若沒(méi)有符合的型號(hào)，可以聯(lián)系對(duì)應(yīng)的技術(shù)支持進(jìn)行定制。

電池管理與控制

該部分主要包括電量計(jì)和微控制器。對(duì)于一些低端產(chǎn)品，通常會(huì)選用電壓查表法來(lái)進(jìn)行電量的計(jì)算，這樣的方法雖然簡(jiǎn)單，但精度不高。而對(duì)于中高端的產(chǎn)品，通常還需要電量計(jì)提供更加精確的電量計(jì)算與顯示。并且大部分場(chǎng)合需要配合MCU進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的補(bǔ)充管理和對(duì)外的信息交互。

●   電量計(jì)：BQ34Z100

BQ34Z100是獨(dú)立于電池節(jié)串聯(lián)配置之外工作的電量計(jì)解決方案。它通過(guò)一個(gè)外部電壓轉(zhuǎn)換電路，可支持3V至65V的電池，可對(duì)此電路進(jìn)行自動(dòng)控制以減少系統(tǒng)功耗。BQ34Z100器件提供幾個(gè)接口選項(xiàng)，其中包括一個(gè)I2C從接口、一個(gè)HDQ從接口、一個(gè)或者四個(gè)直接LED接口、和一個(gè)警報(bào)輸出引腳。此外，BQ34Z100提供對(duì)于外部端口擴(kuò)展器（支持多于四個(gè)LED）的支持。

●   處理器：MSP430FR2155DBT

MSP430FR215x微控制器(MCU)均屬于MSP430MCU 超值系列超低功耗低成本器件產(chǎn)品系列將獨(dú)特的嵌入式 FRAM 和整體超低功耗系統(tǒng)架構(gòu)相結(jié)合，從而在保證性能的同時(shí)降低能耗。適合用于電池供電場(chǎng)合，節(jié)省電量，延長(zhǎng)續(xù)航。

充放電功率通路

充放電功率管按照電壓電流等實(shí)際需要進(jìn)行選取即可，本文不做贅述。

通信與傳感

該部分主要包括CAN通信收發(fā)器和熱敏電阻。

●   CAN通信收發(fā)器：TCAN1042HV

這款CAN收發(fā)器系列符合ISO1189-2 (2016) 高速CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）物理層標(biāo)準(zhǔn)。所有器件均設(shè)計(jì)用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)2Mbps（兆位每秒）的CAN FD網(wǎng)絡(luò)。配有用于I/O電平轉(zhuǎn)換的輔助電源輸入（用于設(shè)置輸入引腳閾值和 RXD 輸出電平）。該系列具備低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求特性。此外，所有器件均包含許多保護(hù)功能，以提高器件和CAN的穩(wěn)定性。

●   熱敏電阻：TMP61

TMP61 線性熱敏電阻可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供線性度和始終如一的靈敏度，支持使用簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的方法進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。器件的低功耗和較小的熱質(zhì)量可最大限度地減小自發(fā)熱的影響。這些器件具有內(nèi)置的高溫失效防護(hù)性能以及對(duì)環(huán)境變化的強(qiáng)大抵抗力，設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)壽命的高性能應(yīng)用。TMP6系列器件的小巧外形還允許靠近熱源放置，并具有快速響應(yīng)時(shí)間。

與 NTC 熱敏電阻相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需額外的線性化電路、校準(zhǔn)最小化、電阻容差變化更小、高溫下靈敏度更高，以及可節(jié)省處理器時(shí)間和內(nèi)存的簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換方法。

輔助電源

BQ769x2集成了兩個(gè)輸出可配置的LDO。但是對(duì)于高壓大電流的應(yīng)用，考慮到高壓差引起的散熱問(wèn)題，仍然需要使用一顆高效率的DC-DC電源芯片，將電池高壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)相對(duì)低壓，如5V，再通過(guò)一顆LDO將DC-DC的輸出轉(zhuǎn)換為低噪聲的電源軌給MCU供電。

●   DC-DC：LM5164

因?yàn)槭请姵貞?yīng)用，為了最大限度地延長(zhǎng)電池使用時(shí)長(zhǎng)，所以對(duì)芯片的靜態(tài)功耗要求較高。LM5164空載靜態(tài)電流極低，僅為10.5uA，可以最大限度節(jié)省電池電量，延長(zhǎng)續(xù)航。并且LM5164最大支持100V的輸入電壓，為16串的應(yīng)用提供安全的耐壓。采用的COT模式控制架構(gòu)，具備更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

●   LDO：TLV70433

TLV704系列LDO具有極低的靜態(tài)電流，僅為3.2uA。并且在全溫度以及全負(fù)載范圍內(nèi)，靜態(tài)功耗也基本是恒定的，是低功耗微控制器，如MSP430，理想的供電電源。

電摩

電摩的方案與電動(dòng)自行車的方案基本類似。電摩和電動(dòng)自行車的主要區(qū)別是電摩的串?dāng)?shù)通常在16串以上，常見(jiàn)的有17串，20串和24串。因?yàn)榇當(dāng)?shù)的增加，電動(dòng)自行車的方案中所采用的單顆BQ76952就不能滿足需求。這就需要將兩顆BQ769x2進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用，同樣的BQ77216也需要進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用。并且級(jí)聯(lián)使用后還需要用到一顆隔離I2C進(jìn)行兩顆BQ769x2之間的隔離通信。

●   隔離I2C：ISO1640

ISO164x系列是TI最新的I2C隔離器，具備更高的性價(jià)比。它支持熱插拔，低功耗的雙向I2C隔離器。滿足UL 1577標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了UL，CSA，CQC，VDE，TUV認(rèn)證，支持1.7MHz雙向傳輸速率。