電池管理系統(tǒng)創(chuàng)新如何提高電動(dòng)汽車采用率

BMS 可保護(hù)電池免受損壞，通過(guò)智能充電和放電算法延長(zhǎng)電池壽命，預(yù)測(cè)電池剩余壽命并使電池保持正常運(yùn)行狀態(tài)。鋰離子電池電芯面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要借助精密的電子控制系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)。此外，還存在因火災(zāi)和爆炸造成傷害的重大風(fēng)險(xiǎn)。因此，BMS 需要借助先進(jìn)的器件來(lái)滿足所有性能、安全和成本指標(biāo)。

一般而言，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都要努力攻克的三個(gè)主要 BMS 挑戰(zhàn)是盡可能提高續(xù)航里程、降低成本和增強(qiáng)安全性。

解決其中一個(gè)挑戰(zhàn)可能會(huì)對(duì)另一個(gè)挑戰(zhàn)產(chǎn)生不利影響。在本白皮書中，我們將探討同時(shí)解決這三個(gè)挑戰(zhàn)的幾個(gè)新趨勢(shì)。

BMS的工作原理及行業(yè)趨勢(shì)

分布式 BMS 架構(gòu)（圖 1）具有模塊化結(jié)構(gòu)，通常包括三個(gè)主要子系統(tǒng)：電芯監(jiān)控單元 (CSU)、電池控制單元 (BCU) 和電池?cái)噙B單元 (BDU)。

圖1 典型的 BMS 架構(gòu)

這些子系統(tǒng)具有不同的行業(yè)名稱，如表1中所列，因此為各種名稱和首字母縮寫詞設(shè)置基準(zhǔn)將很有幫助。

表1 BMS 子系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)的常見首字母縮寫詞

CSU 通過(guò)檢測(cè)每個(gè)電芯的電壓和溫度來(lái)收集所有電池電芯的參數(shù)信息。CSU 通過(guò)執(zhí)行電芯均衡來(lái)幫助補(bǔ)償電池電芯之間的不一致性。BCU 必須包含來(lái)自 CSU 的參數(shù)信息，還必須檢測(cè)電池包的電壓和電流以執(zhí)行電池包管理。BCU 根據(jù)收集的所有電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)參照每個(gè)電池電芯的整體狀況分配電池的充放電方式。通過(guò)計(jì)算荷電狀態(tài)、功率狀態(tài)和運(yùn)行狀況來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)電池的狀況。智能保護(hù)控制也是 BCU 的一項(xiàng)重要功能，因?yàn)樗仨殘?zhí)行絕緣監(jiān)測(cè)，在發(fā)生碰撞或短路時(shí)控制接觸器，持續(xù)監(jiān)測(cè)溫度傳感器并執(zhí)行診斷，從而檢查所有輸入?yún)?shù)是否確實(shí)有效。信息通過(guò)控制器局域網(wǎng) (CAN) 通信傳輸?shù)狡嚳刂茊卧螂娮涌刂茊卧?/p>

新的電池化學(xué)物質(zhì)

鋰離子可以指一系列的化學(xué)物質(zhì)；但它最終構(gòu)成基于金屬氧化物陰極和石墨陽(yáng)極充電和放電反應(yīng)的電池。兩種較為常見的鋰離子化學(xué)物質(zhì)是鎳錳鈷 (NMC) 和磷酸鐵鋰 (LFP)。

NMC 是主要的化學(xué)物質(zhì)，因?yàn)樗哂谐錾哪芰棵芏?，這對(duì)續(xù)航里程有直接影響。然而，隨著近年來(lái)對(duì)鎳和鈷的需求激增，汽車制造商正在采取策略來(lái)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)動(dòng)蕩。鎳和鈷也很稀有，難以從地球上提取。

雖然 LFP 仍屬于占少數(shù)的化學(xué)物質(zhì)且能量密度較低，但它具有顯著優(yōu)勢(shì)。LFP 不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素，因此成本會(huì)更低。它還具有較長(zhǎng)的生命周期，因此可延長(zhǎng)電池的使用壽命。與鎳和鈷電池相比，LFP 電池也更穩(wěn)定，更不容易起火，需要的保護(hù)更少。

因此，LFP 可能會(huì)成為大容量汽車領(lǐng)域的主要化學(xué)物質(zhì)，在該領(lǐng)域，續(xù)航里程不如經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性、安全性或環(huán)保性（不使用鈷和鎳）那么重要。LFP 需要十分精確的電池監(jiān)測(cè)技術(shù)，因?yàn)樗哂蟹浅Ｆ骄彽姆烹娗€。閱讀 BMS 的下一個(gè)目標(biāo)是什么？更安全、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電動(dòng)汽車一文，了解如何使用先進(jìn)的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)適用于新興電池化學(xué)物質(zhì)的 BMS 架構(gòu)。

與此同時(shí)，一些供應(yīng)商正在研究如何使用成本更低的鈉離子電芯來(lái)與 LFP 競(jìng)爭(zhēng)。

與使用液態(tài)電解液的傳統(tǒng)鋰離子電池不同，固態(tài)電池使用由玻璃、陶瓷、固態(tài)聚合物或硫化物組成的固體電解液，因此而得名。鑒于固態(tài)電池固有的性能優(yōu)勢(shì)：更高的能量密度；更高的可靠性和抗老化特性；顯著加快的充電速度以及更高的安全性（最重要），多家汽車制造商正在開展固態(tài)電池研究。液態(tài)電解液在高溫下會(huì)變得易燃。固態(tài)電解液具有更高的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而可限制火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)線BMS

利用導(dǎo)線是目前部署 BMS 的實(shí)際方法。在許多情況下，這是實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(jí) D (ASIL D) 合規(guī)性的最可靠方法，因?yàn)榫栈ㄦ溣芯€通信協(xié)議中內(nèi)置了功能安全特性。然而，導(dǎo)線也有其缺點(diǎn)：電纜故障、保修維修和電池電芯更換的成本高昂。

無(wú)線 BMS 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)（如圖 2 所示）是電池包組裝和生產(chǎn)的簡(jiǎn)便性，這可以節(jié)省成本并提高生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線技術(shù)人員只需組裝電池包并獲取即時(shí)讀數(shù)，而有線 BMS 則需要技術(shù)人員將電纜插入每個(gè)電池模塊。

圖2 TI無(wú)線BMS技術(shù)

無(wú)線 BMS 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是電纜線束和連接器可能是電池包故障的主要原因之一。無(wú)線 BMS 可減少低壓布線，并有可能使原始設(shè)備制造商 (OEM) 免受重大保修索賠的影響。

無(wú)線 BMS 有助于減輕重量，更重要的是，現(xiàn)在電池包中有更多空間?？臻g的增加意味著電池制造商或 OEM 可以向電池包中添加更多電池電芯。電芯節(jié)數(shù)增加以及重量減輕會(huì)延長(zhǎng)續(xù)航里程。

無(wú)線 BMS 還可通過(guò)其固有隔離幫助節(jié)省元件成本，因此汽車制造商不必使用變壓器、電容器或共模扼流圈即可實(shí)現(xiàn)隔離，從而節(jié)省成本。

TI 符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 CC2662R-Q1 SimpleLink? 無(wú)線微控制器 (MCU) 包含 48MHz Arm? Cortex?-M4 處理器，能夠運(yùn)行 2.4GHz 專有無(wú)線 BMS 協(xié)議。

電池容量和電池運(yùn)行狀況的高級(jí)估算

電池剩余電量的準(zhǔn)確估算對(duì)剩余續(xù)航里程有直接影響。盡管電池電芯制造商提供了電池的額定容量，但它會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。導(dǎo)致電池容量衰減的一些重要因素包括溫度升高、循環(huán)（使用）、放電模式深度和老化。鑒于這些因素，需要持續(xù)估算電池容量，以便準(zhǔn)確估算荷電狀態(tài)。

準(zhǔn)確測(cè)量電池的運(yùn)行狀況將決定駕駛員是必須更換電池，還是等到發(fā)生明確、危險(xiǎn)的電池故障事件才更換。

電壓和電流的有效同步有助于實(shí)現(xiàn)精確的荷電狀態(tài)、運(yùn)行狀況和電阻抗譜分析 (EIS) 計(jì)算，進(jìn)而充分利用電池。如需更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章：如何設(shè)計(jì)適用于高級(jí)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的智能電池接線盒。

電芯監(jiān)控單元 (CSU) 詳細(xì)介紹

圖 3 顯示了簡(jiǎn)化版 CSU。CSU 在電池包的實(shí)際電芯內(nèi)緊密運(yùn)行，連接電芯監(jiān)測(cè)器器件布線線束并確保將重要的電池包數(shù)據(jù)高效傳回主機(jī) BCU。

圖3 簡(jiǎn)化版 CSU 系統(tǒng)方框圖

如果沒(méi)有 CSU，關(guān)于電池包狀態(tài)的可用信息將少之又少。借助 CSU 輸出的診斷數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀況和荷電狀態(tài)估算，這會(huì)直接影響系統(tǒng)的安全目標(biāo)。憑借高精度監(jiān)測(cè)器，這些算法可為驅(qū)動(dòng)器提供十分精確的估算，并充分發(fā)揮每次充電的效用。此操作通常是被動(dòng)完成的，并且在足夠高的電流下進(jìn)行，在這種情況下，熱管理變得難以維護(hù)和測(cè)量?？傮w而言，在電池包中部署精密的 CSU 可確定車輛的充電周期，從而提供更安全、更出色的整體體驗(yàn)。

CSU 可提供越來(lái)越詳細(xì)的電芯狀態(tài)測(cè)量，更大限度地發(fā)揮上述電池包優(yōu)勢(shì)。對(duì)于運(yùn)行狀況和荷電狀態(tài)計(jì)算，以盡可能高的數(shù)據(jù)速率安全可靠地同步這些測(cè)量可實(shí)現(xiàn)理想的估算。隨著 400V 以上高壓電池包趨勢(shì)的興起，智能 CSU 設(shè)計(jì)促進(jìn)了電池包中越來(lái)越多的電芯數(shù)據(jù)傳輸。要實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車，挑戰(zhàn)是如何通過(guò)盡可能低的功耗和外部印刷電路板元件實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。

隨著 LFP 越來(lái)越受歡迎，與 NMC 相比（如圖 4 所示），平穩(wěn)放電曲線需要更精確的電芯電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，才能確定電動(dòng)汽車的可用里程。德州儀器 (TI) BQ79718-Q1 可堆疊電池監(jiān)測(cè)器和電芯平衡器可測(cè)量 18 節(jié)串聯(lián)電池。它可提供精度為 ±1mV 的電芯電壓測(cè)量，以及具有 300mA 電流能力的被動(dòng)電芯均衡功能。該器件還支持電壓和電流同步測(cè)量以及 BQ79731-Q1 電池監(jiān)測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)更精確的運(yùn)行狀況和荷電狀態(tài)計(jì)算。

圖4 電池化學(xué)成分放電曲線（紅色 = NMC，藍(lán)色 = LFP）

傳統(tǒng)與智能電池接線盒 (BJB) 的比較

BMS 架構(gòu)在不斷發(fā)展。器件創(chuàng)新（受到所謂的電池包監(jiān)測(cè)器的推動(dòng)）正在促使向更加現(xiàn)代化的架構(gòu)（即智能電池接線盒 (BJB)）轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng) BJB 僅包含機(jī)械部件，而智能 BJB 將有源硅器件引入 BJB 中，執(zhí)行高壓監(jiān)測(cè)、電流檢測(cè)和絕緣檢測(cè)（傳統(tǒng)上由 BCU 執(zhí)行的功能）。

智能 BJB 架構(gòu)（如圖 5 所示）具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。它明確地區(qū)分了高壓域和低壓域 - 所有高壓信號(hào)都直接在 BJB 中測(cè)量，從而使 BCU 完全成為一種低壓設(shè)計(jì)。電池包監(jiān)測(cè)器使用專有菊花鏈接口，支持分立式電容器隔離，因此無(wú)需使用昂貴的數(shù)字隔離器器件。菊花鏈通信還具有額外的優(yōu)勢(shì)，即無(wú)需收發(fā)器（如 CAN）等任何其他元件，也不需要額外的 MCU 來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)通信協(xié)議。將電池包監(jiān)測(cè)器放置在 BJB 中或其周圍可以立即訪問(wèn)高壓信號(hào)，并且不再需要將多條長(zhǎng)導(dǎo)線連接回 BCU。可以測(cè)量電流并執(zhí)行分流電流檢測(cè)。

圖5 傳統(tǒng) BMS 架構(gòu)與現(xiàn)代智能 BJB 架構(gòu)的比較

BJB 詳細(xì)介紹

智能 BJB 通過(guò)電壓、電流和絕緣電阻電池包監(jiān)測(cè)器幫助直接測(cè)量電池中的高電壓。典型的電池包監(jiān)測(cè)器中提供多個(gè)電壓和電流測(cè)量通道，可測(cè)量保險(xiǎn)絲和接觸器兩端的電壓，并檢查 BJB 中的隔離電壓。圖 6 為簡(jiǎn)化版系統(tǒng)圖。

圖6 簡(jiǎn)化版BJB系統(tǒng)方框圖

由于電池包監(jiān)測(cè)器可以測(cè)量電池包電流，因此系統(tǒng)中采用了過(guò)流保護(hù)。BQ79731-Q1 等一些電池包監(jiān)測(cè)器還具備用于荷電狀態(tài)計(jì)算的庫(kù)侖計(jì)數(shù)功能。

BQ79731-Q1 中實(shí)現(xiàn)了電壓和電流同步功能，可在 CSU 中測(cè)量電池電芯電壓的同時(shí)測(cè)量電池包電流和電壓?？梢詫⑼ㄟ^(guò)任一菊花鏈?zhǔn)酵ㄐ沤涌诓东@的所有信息輪詢到 BCU。

智能 BJB 和傳統(tǒng) BJB 之間的區(qū)別在于對(duì)接觸器驅(qū)動(dòng)器和爆炸熔絲的數(shù)字控制，用于在碰撞過(guò)程中斷開電池包與電動(dòng)汽車系統(tǒng)的連接。BQ79731-Q1 具有串行外設(shè)接口 (SPI) 控制器通道，可控制接觸器驅(qū)動(dòng)器和爆炸熔絲，從而減少對(duì) BCU 額外 SPI 資源的需求。

電池包使用由電池包監(jiān)測(cè)器控制的機(jī)械接觸器來(lái)連接或斷開整個(gè)車輛的子系統(tǒng)。務(wù)必要防止這些接觸器發(fā)生任何潛在故障或接觸高壓連接，從而保護(hù)駕駛員免受危及生命的傷害。

如果出現(xiàn)不受控制的浪涌電流，機(jī)械高壓接觸器可能會(huì)因電弧和點(diǎn)蝕而焊接或損壞。為何高電壓系統(tǒng)需要預(yù)充電電路介紹了如何使用 TPSI3050-Q1 隔離式開關(guān)驅(qū)動(dòng)器來(lái)構(gòu)成可靠的固態(tài)繼電器，以便在汽車 BJB 中進(jìn)行預(yù)充電。由于沒(méi)有移動(dòng)部件，因此在更換機(jī)械預(yù)充電接觸器時(shí)，TPSI3050-Q1 可提高系統(tǒng)級(jí)可靠性或降低時(shí)基故障率。

高壓電池包的正極端子和負(fù)極端子必須與車輛底盤完全分離，從而保護(hù)駕駛員或技術(shù)人員免受潛在電擊。對(duì)這種分離的定期監(jiān)測(cè)稱為隔離檢查或絕緣電阻監(jiān)測(cè)。TPSI2140- Q1 等固態(tài)繼電器用于連接和斷開與未知電阻值（電池端子和底盤接地之間的電阻值）并聯(lián)的已知電阻值（例如 1MΩ）。通過(guò)使用 BQ79731-Q1 等電池包監(jiān)測(cè)器測(cè)量組合電阻，您可以確定電池分離是否在容差范圍內(nèi)（根據(jù)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)第 305 號(hào)規(guī)范，至少為 500?/V）或是否存在潛在危害。

電池控制單元 (BCU) 詳細(xì)介紹

BCU 由通信芯片和 MCU 構(gòu)成。通信芯片是連接 MCU 與 CSU 和 BJB 的橋梁，可將來(lái)自 CSU 和 BJB 菊花鏈的信號(hào)轉(zhuǎn)換為解碼比特流發(fā)送到 MCU。MCU 輪詢 CSU 和 BJB 測(cè)量的所有信息，計(jì)算電池狀態(tài)并對(duì)來(lái)自 CSU 和 BJB 的故障或診斷做出響應(yīng)。圖 7 顯示了典型的 BCU 方框圖。

圖7 典型BCU方框圖

創(chuàng)建全面的電池測(cè)試環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證和測(cè)試 BMS，汽車制造商使用了硬件在環(huán) (HiL) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可創(chuàng)建安全的環(huán)境，用于在連接到真實(shí)、具有潛在危險(xiǎn)的電池電芯之前測(cè)試所有功能。

TI 合作伙伴 Comemso 的電池電芯仿真器可提供各種模塊來(lái)進(jìn)行 BMS 測(cè)試，并提供了可擴(kuò)展的型號(hào)和不同的功能。該仿真器十分靈活，使 TI 能夠部署不同尺寸的系統(tǒng)，有助于滿足設(shè)計(jì)工程師的各種需求。

結(jié)論

隨著人們對(duì)技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)權(quán)衡越來(lái)越重視，BMS 架構(gòu)不斷發(fā)展。新的電池化學(xué)物質(zhì)和硅器件與不斷提高的安全要求相結(jié)合，形成了與眾不同的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)格局。TI 的目標(biāo)是使市場(chǎng)能夠敏捷地朝任何設(shè)計(jì)方向發(fā)展。了解 TI 的所有混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車 BMS 設(shè)計(jì)資源，幫助汽車制造商更大程度地提高安全性、可靠性和續(xù)航里程，并提高全球范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車采用率。

附加資源

●   德州儀器 (TI)：電動(dòng)汽車電池管理中的有線通信與無(wú)線通信。

●   觀看網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)：電池管理系統(tǒng)研討會(huì) - 用于實(shí)現(xiàn)電壓和電流同步的智能電池接線盒。

●   德州儀器 (TI)：實(shí)現(xiàn)汽車電氣化的電池管理功能安全注意事項(xiàng)。

●   閱讀技術(shù)文章：如何設(shè)計(jì)適用于高級(jí)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的智能電池接線盒。