電動(dòng)汽車熱潮下的BMS技術(shù)，將走向何方？

電池組是電動(dòng)汽車最重要的部件之一，就成本而言，它幾乎占到車輛成本的40%。電池組包括為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)供電的鋰離子電池，以及一種名為電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的智能解決方案。

電動(dòng)汽車BMS又分為低壓（LV）和高壓（HV）兩類。其中，≤30VAC和≤60VDC屬于低壓級(jí)別，主要應(yīng)用于輕型電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛（2輪或3輪車）；高壓BMS有兩個(gè)級(jí)別，工作電壓范圍分別為≤600VAC和≤900VDC以及≤1,000VAC和≤1,500VDC，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)巴士、電動(dòng)卡車（4輪車）等，這些車輛常常需要串聯(lián)和并聯(lián)多個(gè)鋰離子電池，例如400V、20kWh電動(dòng)巴士的高壓BMS（含LiFePO4電池）就由125個(gè)串聯(lián)電池和1個(gè)并聯(lián)電池組成。

從物理特性來看，鋰離子電池組的爆炸威力類似于小型炸藥，未經(jīng)控制的熱失控會(huì)導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)的發(fā)生，對(duì)車輛乘員來說這個(gè)潛在的威脅可能是致命的。因此，密切關(guān)注電池組的電壓、電荷和溫度等參數(shù)的變化非常重要。從應(yīng)用角度來看，為了從一次充電中獲得更多里程、減少充電時(shí)間，且盡可能地地降低電動(dòng)汽車電池組的總成本，除了嘗試采用新的電池化學(xué)成分以及新的架構(gòu)外，電動(dòng)汽車高壓BMS的高效設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。

BMS：電動(dòng)汽車安全可靠工作的守護(hù)者

鋰離子電池具有高充電密度，為大多數(shù)電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。不過，這些電池組在使用過程中存在著高度不穩(wěn)定性和安全隱患。因此，這些電池在任何時(shí)候都不應(yīng)處于過度充電或達(dá)到深度放電狀態(tài)。

熱失控通常是指充電或過度充電時(shí)流過電池的電流導(dǎo)致電池過熱，這種情況將損害電池的壽命或容量。不同鋰電池之間的不一致性是必然存在的一種現(xiàn)象，要想保證電池組的安全高效運(yùn)行，這些電池必須同時(shí)工作在狹小的安全窗口內(nèi)。

在實(shí)際應(yīng)用中，這一管理過程非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵陔妱?dòng)汽車中，許多電池單元被組合在一起形成一個(gè)電池組，每個(gè)電池單元都需要單獨(dú)監(jiān)控，以確保其安全和高效運(yùn)行，電池?cái)?shù)量越多，管理難度就越大。此時(shí)，堪稱電動(dòng)汽車守護(hù)者的電池管理系統(tǒng)（BMS）的作用就極為重要。

電動(dòng)汽車BMS是控制電池組正常工作的中央單元，它能確保鋰離子電池安全、可靠和高效運(yùn)行，通常通過監(jiān)測和測量電池參數(shù)并評(píng)估SoC（充電狀態(tài)）和SoH（健康狀態(tài)）來管理電池組。BMS主要通過確保電池組在SoA（安全操作區(qū)）下安全地工作，從而保護(hù)電池組中的電池；電池?cái)?shù)量越多，BMS的設(shè)計(jì)難度越大。以Model3為例，它的BMS需管理2,976節(jié)21700電池，或許是目前市場上復(fù)雜度最高的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)之一。

BMS常常被看作是電池組的大腦，它的主要功能是保證電動(dòng)汽車的電池受到保護(hù)，防止任何超出其安全極限的操作。以下是電動(dòng)汽車BMS執(zhí)行的四大常規(guī)功能：

1 電池監(jiān)測

在充電或放電時(shí)，需要隨時(shí)對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)測，任何不符合規(guī)范的情況都必須在觸發(fā)安全機(jī)制的同時(shí)進(jìn)行識(shí)別和報(bào)告。在此階段，需運(yùn)行一些算法來計(jì)算充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）。在這里，監(jiān)測SoC可確保電池不會(huì)過充或充電不足。有時(shí)SoC也被視為電動(dòng)汽車的“燃料”指示器，它能顯示電池中剩余的電量，并據(jù)此確定車輛的續(xù)航里程。SoH是電池整體健康狀況的指標(biāo)，可洞察電池的運(yùn)行狀況，根據(jù)這些信息，可以預(yù)測電池壽命并制定維護(hù)計(jì)劃。

2 功率優(yōu)化

電池監(jiān)測的直接結(jié)果是對(duì)電池功率進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)電池監(jiān)測功能確定了SoC和SoH后，電動(dòng)汽車BMS的工作就是將SoC和SoH參數(shù)保持在規(guī)定值內(nèi)。當(dāng)電池充電時(shí)，BMS確定單個(gè)電池中允許流過多少電流。在電動(dòng)汽車運(yùn)行期間，電池處于放電狀態(tài)，BMS要確保電壓水平不會(huì)過低。

3 電動(dòng)汽車的安全性

未檢測到的電池?zé)崾Э乜赡軙?huì)導(dǎo)致重大安全事故。BMS通過采集電壓、溫度和電流等數(shù)據(jù)以優(yōu)化功率，類似的數(shù)據(jù)也常常用于保證車輛的安全性，以符合ISO26262等標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)然，車輛的安全性也涉及到另一個(gè)方面的要求，即車身/底盤與電池組必須絕緣，以避免對(duì)車輛乘員造成電擊。

4 電池充電優(yōu)化

電池的健康狀況會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷變差。比如，電芯受熱后有時(shí)會(huì)出現(xiàn)輕微損壞，并開始以低于其他電芯的電壓充電。BMS要能夠識(shí)別此故障并優(yōu)化充電過程，以便所有電池都以較低的電壓充電，以此減少整個(gè)電池組的壓力，提高整體壽命。當(dāng)然，BMS診斷也會(huì)將此問題存儲(chǔ)為故障代碼，以便在稍后階段修復(fù)。此外，電池端子的氧化也可能導(dǎo)致電壓降低，BMS需要適應(yīng)這些變化并使電池達(dá)到最佳性能。

BMS設(shè)計(jì)的技術(shù)考慮

在設(shè)計(jì)BMS時(shí)，必須考慮各種因素，主要應(yīng)包含四個(gè)關(guān)鍵功能：

一是參數(shù)估算。要能估算電芯級(jí)和組件級(jí)的SoC、SoH，并通過CAN與控制器通信。

二是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。BMS應(yīng)記錄來自電池組和單個(gè)電芯的電信號(hào)，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)器中。

三是控制功能。BMS需要測量溫度、電壓和電流，并控制這些參數(shù)以實(shí)現(xiàn)電芯的平衡。

四是診斷功能。預(yù)測故障、監(jiān)測電芯的變化、感知錯(cuò)誤、識(shí)別安全風(fēng)險(xiǎn)并向駕駛員發(fā)送信息以供決策。

#01 TI BQ79616-Q1

BQ79616-Q1是TI公司提供的汽車類16節(jié)串聯(lián)精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成保護(hù)器，符合ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)，在不到200μs的時(shí)間內(nèi)為HEV/EV中高壓電池管理系統(tǒng)中的16S電池模塊提供高精度電池電壓測量。

借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實(shí)施系統(tǒng)。集成的ADC低通濾波器可以執(zhí)行經(jīng)過濾波、類似于直流電的電壓測量，以便更好地計(jì)算荷電狀態(tài)（SoC）。該器件還支持自主內(nèi)部電池平衡，并通過監(jiān)測溫度來自動(dòng)暫停和恢復(fù)平衡，以免出現(xiàn)過熱條件。

此外，器件中包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進(jìn)行隔離，并且能夠使用更高效的組件實(shí)現(xiàn)xEV動(dòng)力總成系統(tǒng)中常見的集中式或分布式架構(gòu)。在通信線路中斷的情況下，菊花鏈通信接口可配置為環(huán)形架構(gòu)，允許主機(jī)與堆棧兩端的設(shè)備通信。器件中的8個(gè)GPIO或輔助輸入可執(zhí)行外部熱敏電阻測量。

圖1：簡化版BQ79616-Q1系統(tǒng)框圖

（圖源：TI）

BMS在測量電芯的電流和電壓后，會(huì)將相關(guān)信息發(fā)送給一個(gè)應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序?qū)⒋_定電池的SoC狀態(tài)。這些測量值通過計(jì)算電池的實(shí)際最大容量（隨著時(shí)間的推移而減少），幫助確定電池的健康狀態(tài)（SoH）和剩余使用壽命（RUL），并據(jù)此估計(jì)電池是否仍適合運(yùn)行或需要更換。通過確定每個(gè)電芯的SoC和SoH，BMS可以平衡其充電和放電，以確保所有電芯的一致性，從而延長電池壽命并提高性能。

#02 STMicroelectronics L99963E

STMicroelectronics的鋰離子電池監(jiān)測和保護(hù)芯片L99963E，在確保電池安全運(yùn)行方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)上，工程師們關(guān)注的首要BMS特性是其準(zhǔn)確性，因此，BMS不僅要高精度地測量每個(gè)電池單元的狀態(tài)，而且還必須非常快速地進(jìn)行測量，否則，應(yīng)用程序?qū)o法提供反映實(shí)際充電狀態(tài)的結(jié)果。

L99963E在測量電流以了解每個(gè)電芯的實(shí)際容量時(shí)提供了極高的精度，最大誤差僅為±2mV。此外，L99963E還具有冗余功能，能夠交叉檢查模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以確保其準(zhǔn)確性，如果它們不再可靠，該模塊可以迫使相鄰的ADC接管故障ADC并解決問題。菊花鏈中的L99963E還通過提供2.66Mbps帶寬的串行總線進(jìn)行通信，而市場上很多產(chǎn)品的帶寬都在1Mbps左右。讀取和處理434個(gè)電芯，L99963E僅僅需要4ms至16ms的時(shí)間。

一個(gè)成功的BMS方案從最初的方案設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品落地，設(shè)計(jì)過程絕非易事。為此，ST為L99963E提供了兩個(gè)評(píng)估板：一個(gè)是EVAL-L99963E-MCU，它包括一個(gè)微控制器，并帶有圖形用戶界面STSW-L9963E，以幫助開發(fā)人員更快地創(chuàng)建應(yīng)用程序。另一個(gè)是EVAL-L99963E-NDS，可將多個(gè)L99963E放在菊花鏈中。

圖2：鋰離子電池監(jiān)測和保護(hù)芯片L99963E系統(tǒng)框圖

（圖源：STMicroelectronics）

傳統(tǒng)BMS有三個(gè)主要子系統(tǒng)：電池管理單元（BMU）、電池接線盒（BJB）和電池監(jiān)控單元（CSU）。BMU包含主控MCU，負(fù)責(zé)電池組的充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）計(jì)算。SoC和SoH的精確測量是降低成本并準(zhǔn)確表示電池壽命和續(xù)航里程的關(guān)鍵。此外，電池組電壓和電流監(jiān)測、絕緣電阻測量以及接觸器和熱熔絲驅(qū)動(dòng)器所需的大部分電子設(shè)備都在BMU上。CSU包含用于電池電壓和溫度監(jiān)控的電子設(shè)備，而BJB主要是一個(gè)機(jī)電箱，分流器、接觸器和熱熔斷器都在這個(gè)箱子里。

#03 NXP HVBMS

NXP的高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）參考設(shè)計(jì)采用ASIL D架構(gòu)，由電池管理單元（BMU）、電芯監(jiān)測單元（CMU）和電池接線盒（BJB）3個(gè)模塊組成。RD-HVBMSCTBUN是該公司HVBMS的參考設(shè)計(jì)套件，是一個(gè)完整的硬件解決方案。

其中，BMU是電池管理系統(tǒng)的控制部分，它處理來自其他BMS模塊的各種數(shù)據(jù)，做出確保BMS安全的決策，同時(shí)與整車控制器（VCU）通信，并驅(qū)動(dòng)將電池連接到汽車系統(tǒng)的接觸器。

RD-K344BMU是用于開發(fā)電池管理單元（BMU）的參考設(shè)計(jì)，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型。該開發(fā)板主要由NXP的S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等器件構(gòu)成。

RD33775ACNTEVB是支持電子傳輸協(xié)議鏈路（ETPL）通信的集中式單體電池監(jiān)控單元（CMU）參考設(shè)計(jì)，該評(píng)估板還包含以菊花鏈形式連接的四個(gè)MC33775A模擬前端（AFE）。MC33775A是14通道鋰離子電池控制器（BCC），4個(gè)MC33775A最多能容納56個(gè)單體電池，可通過向菊花鏈添加更多CMU進(jìn)行擴(kuò)展。

RD772BJBTPLEVB是NXP HVBMS解決方案中的電池接線盒（BJB）參考設(shè)計(jì)，這個(gè)評(píng)估板包含兩個(gè)MC33772C電池傳感器，可用于冗余的高壓和電流測量，并進(jìn)行隔離測量。根據(jù)NXP官網(wǎng)的信息，上述產(chǎn)品目前僅對(duì)部分簽署了保密協(xié)議（NDA）的客戶開放。

圖3：NXP電池管理系統(tǒng)解決方案參考平臺(tái)框圖

（圖源：NXP）

電動(dòng)汽車BMS設(shè)計(jì)正在走向無線化

在電動(dòng)汽車中，電池管理系統(tǒng)（BMS）是確保車輛安全、續(xù)航里程和可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)，如今這一系統(tǒng)將迎來新一波創(chuàng)新浪潮。傳統(tǒng)的BMS架構(gòu)需要在BMU和BJB之間鋪設(shè)許多電纜，不僅會(huì)占用電池組中的寶貴空間，還增加了汽車的重量。得益于一些主要半導(dǎo)體公司的一系列新產(chǎn)品，當(dāng)今先進(jìn)的電動(dòng)汽車BMS設(shè)計(jì)正在走向無線化。

向無線BMS技術(shù)轉(zhuǎn)變的汽車BMS將帶來多項(xiàng)優(yōu)勢：

減輕重量

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)中的電纜和線束非常笨重，移除這些電纜可有效減輕總重量，并為電池艙中的其他系統(tǒng)提供更多空間。去除電纜后，系統(tǒng)中的許多配件和連接器也將一同被移除，成本也會(huì)相應(yīng)降低。

消減電纜設(shè)計(jì)成本

有線BMS中使用的電纜是需要定制，并且價(jià)格昂貴。通常，每種型號(hào)的車輛都需要重新設(shè)計(jì)，每年還要對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行重大更改。采用全無線技術(shù)可有效降低這些成本。

組件易于模塊化

因?yàn)闊o線BMS不需要專有的電纜組件和線束，所以剩余的組件和系統(tǒng)可以高度模塊化，第三方供應(yīng)商也更容易參與到設(shè)計(jì)中來。

維護(hù)更簡單

移除電纜后電池的檢查和更換更方便。

綜合來看，電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的無線化擺脫了CAN總線和SPI電纜帶來的困擾。采用無線架構(gòu)后，用于連接電池、監(jiān)視器、主機(jī)控制器、外圍設(shè)備和任何外部系統(tǒng)的傳統(tǒng)電纜在很大程度上都將被無線通信所取代。

如果輸出接口在IEEE 802.3ch汽車以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，則可以進(jìn)一步減少電纜數(shù)量、降低線束重量，延遲也會(huì)縮短。無線BMS設(shè)計(jì)是在ISM頻帶（2.4GHz）中工作的短距離射頻（RF）系統(tǒng)。作為一種短距無線系統(tǒng)，用于電動(dòng)汽車的無線BMS設(shè)計(jì)與其他無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣也會(huì)面臨很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

比如，系統(tǒng)中的監(jiān)控單元和主機(jī)控制器需要在車輛啟動(dòng)期間形成初始網(wǎng)絡(luò)，并且這一過程需要非常快速地完成。延遲、多徑誤差和輻射噪聲等問題會(huì)使這一過程更加困難。此外，這些系統(tǒng)最好是低功耗的，以確保運(yùn)行期間的低溫和長期可靠性。

電動(dòng)汽車BMS行業(yè)的機(jī)遇

從市場規(guī)模來看，全球電池電動(dòng)汽車市場2020年底達(dá)到797萬輛，預(yù)計(jì)到2030年底將達(dá)到9,510萬輛。挪威道路聯(lián)合會(huì)2023年1月2日發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)北歐國家2022年售出的新乘用車中，將近八成是純電動(dòng)汽車，刷新了該國的歷史紀(jì)錄。挪威人口約550萬，去年共售出138,265輛純電動(dòng)車，占新乘用車總銷量的79.3%，大幅超過2021年的64.5%。

中國是全球電動(dòng)汽車市場的重要參與者，政府不斷鼓勵(lì)人們使用電動(dòng)汽車，并計(jì)劃到2040年全面禁止柴油和汽油車輛。從工信部發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，2022年1－9月，中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成471.7萬輛和456.7萬輛，同比分別增長1.2倍和1.1倍，市場占有率達(dá)到23.5%。其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成368.2萬輛和357.8萬輛，同比分別增長1.0倍和97.9%；插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷分別完成103.3萬輛和98.7萬輛，同比分別增長1.9倍和1.7倍。

圖4：2017年-2022年國內(nèi)月度新能源汽車銷量及同比變化情況（圖源：工信部官網(wǎng)）

從市場價(jià)值來看，根據(jù)Beyond Market Insights的數(shù)據(jù)，2021全球電動(dòng)汽車市場的規(guī)模約為1,785億美元，預(yù)計(jì)到2030年將增長至約11,088億美元，2022年至2030年間的復(fù)合年增長率約為22.5%?？紤]到每臺(tái)車都會(huì)配備一套BMS系統(tǒng)，因此，BMS市場將是一個(gè)潛力巨大的市場。

根據(jù)Meticulous Market Research的預(yù)測，電動(dòng)汽車BMS市場預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到373億美元，2022年至2029年的復(fù)合年增長率為30.5%，該市場的增長主要?dú)w因于電動(dòng)汽車的日益普及。根據(jù)配置，2022年，96至132節(jié)電池組預(yù)計(jì)將占據(jù)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)市場的最大份額，HVBMS也將成為增長最快的市場。然而，缺乏開發(fā)BMS的標(biāo)準(zhǔn)化法規(guī)，以及系統(tǒng)成本高昂，也會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車BMS市場的增長帶來不利影響。