電池管理系統(tǒng)創(chuàng)新如何提高電動汽車采用率

BMS 可保護電池免受損壞，通過智能充電和放電算法延長電池壽命，預(yù)測電池剩余壽命并使電池保持正常運行狀態(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)來應(yīng)對。此外，還存在因火災(zāi)和爆炸造成傷害的重大風(fēng)險。因此，BMS 需要借助先進的器件來滿足所有性能、安全和成本指標。

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

解決其中一個挑戰(zhàn)可能會對另一個挑戰(zhàn)產(chǎn)生不利影響。在本白皮書中，我們將探討同時解決這三個挑戰(zhàn)的幾個新趨勢。

BMS的工作原理及行業(yè)趨勢

分布式 BMS 架構(gòu)（圖 1）具有模塊化結(jié)構(gòu)，通常包括三個主要子系統(tǒng)：電芯監(jiān)控單元 (CSU)、電池控制單元 (BCU) 和電池斷連單元 (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 通過檢測每個電芯的電壓和溫度來收集所有電池電芯的參數(shù)信息。CSU 通過執(zhí)行電芯均衡來幫助補償電池電芯之間的不一致性。BCU 必須包含來自 CSU 的參數(shù)信息，還必須檢測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)，負責(zé)參照每個電池電芯的整體狀況分配電池的充放電方式。通過計算荷電狀態(tài)、功率狀態(tài)和運行狀況來持續(xù)監(jiān)測電池的狀況。智能保護控制也是 BCU 的一項重要功能，因為它必須執(zhí)行絕緣監(jiān)測，在發(fā)生碰撞或短路時控制接觸器，持續(xù)監(jiān)測溫度傳感器并執(zhí)行診斷，從而檢查所有輸入?yún)?shù)是否確實有效。信息通過控制器局域網(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)，因為它具有出色的能量密度，這對續(xù)航里程有直接影響。然而，隨著近年來對鎳和鈷的需求激增，汽車制造商正在采取策略來應(yīng)對市場動蕩。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。LFP 不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素，因此成本會更低。它還具有較長的生命周期，因此可延長電池的使用壽命。與鎳和鈷電池相比，LFP 電池也更穩(wěn)定，更不容易起火，需要的保護更少。

因此，LFP 可能會成為大容量汽車領(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)濟實惠性、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)測技術(shù)，因為它具有非常平緩的放電曲線。閱讀 BMS 的下一個目標是什么？更安全、更經(jīng)濟實惠的電動汽車一文，了解如何使用先進的半導(dǎo)體實現(xiàn)適用于新興電池化學(xué)物質(zhì)的 BMS 架構(gòu)。

與此同時，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與 LFP 競爭。

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：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)電解液在高溫下會變得易燃。固態(tài)電解液具有更高的熱穩(wěn)定性，進而可限制火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險。

無線BMS

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

無線 BMS 的一個優(yōu)點（如圖 2 所示）是電池包組裝和生產(chǎn)的簡便性，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讀數(shù)，而有線 BMS 則需要技術(shù)人員將電纜插入每個電池模塊。

圖2 TI無線BMS技術(shù)

無線 BMS 的另一個優(yōu)勢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。空間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延長續(xù)航里程。

無線 BMS 還可通過其固有隔離幫助節(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現(xiàn)隔離，從而節(jié)省成本。

TI 符合汽車標準的 CC2662R-Q1 SimpleLink? 無線微控制器 (MCU) 包含 48MHz Arm? Cortex?-M4 處理器，能夠運行 2.4GHz 專有無線 BMS 協(xié)議。

電池容量和電池運行狀況的高級估算

電池剩余電量的準確估算對剩余續(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，但它會隨著時間的推移而變化。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，以便準確估算荷電狀態(tài)。

準確測量電池的運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、危險的電池故障事件才更換。

電壓和電流的有效同步有助于實現(xiàn)精確的荷電狀態(tài)、運行狀況和電阻抗譜分析 (EIS) 計算，進而充分利用電池。如需更多信息，請參閱技術(shù)文章：如何設(shè)計適用于高級電動汽車電池管理系統(tǒng)的智能電池接線盒。

電芯監(jiān)控單元 (CSU) 詳細介紹

圖 3 顯示了簡化版 CSU。CSU 在電池包的實際電芯內(nèi)緊密運行，連接電芯監(jiān)測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 BCU。

圖3 簡化版 CSU 系統(tǒng)方框圖

如果沒有 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)，可實現(xiàn)運行狀況和荷電狀態(tài)估算，這會直接影響系統(tǒng)的安全目標。憑借高精度監(jiān)測器，這些算法可為驅(qū)動器提供十分精確的估算，并充分發(fā)揮每次充電的效用。此操作通常是被動完成的，并且在足夠高的電流下進行，在這種情況下，熱管理變得難以維護和測量?？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。

CSU 可提供越來越詳細的電芯狀態(tài)測量，更大限度地發(fā)揮上述電池包優(yōu)勢。對于運行狀況和荷電狀態(tài)計算，以盡可能高的數(shù)據(jù)速率安全可靠地同步這些測量可實現(xiàn)理想的估算。隨著 400V 以上高壓電池包趨勢的興起，智能 CSU 設(shè)計促進了電池包中越來越多的電芯數(shù)據(jù)傳輸。要實現(xiàn)更加經(jīng)濟實惠的混合動力汽車/電動汽車，挑戰(zhàn)是如何通過盡可能低的功耗和外部印刷電路板元件實現(xiàn)這些優(yōu)勢。

隨著 LFP 越來越受歡迎，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量數(shù)據(jù)，才能確定電動汽車的可用里程。德州儀器 (TI) BQ79718-Q1 可堆疊電池監(jiān)測器和電芯平衡器可測量 18 節(jié)串聯(lián)電池。它可提供精度為 ±1mV 的電芯電壓測量，以及具有 300mA 電流能力的被動電芯均衡功能。該器件還支持電壓和電流同步測量以及 BQ79731-Q1 電池監(jiān)測器，可實現(xiàn)更精確的運行狀況和荷電狀態(tài)計算。

圖4 電池化學(xué)成分放電曲線（紅色 = NMC，藍色 = 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)測器的推動）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、電流檢測和絕緣檢測（傳統(tǒng)上由 BCU 執(zhí)行的功能）。

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

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

BJB 詳細介紹

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

圖6 簡化版BJB系統(tǒng)方框圖

由于電池包監(jiān)測器可以測量電池包電流，因此系統(tǒng)中采用了過流保護。BQ79731-Q1 等一些電池包監(jiān)測器還具備用于荷電狀態(tài)計算的庫侖計數(shù)功能。

BQ79731-Q1 中實現(xiàn)了電壓和電流同步功能，可在 CSU 中測量電池電芯電壓的同時測量電池包電流和電壓。可以將通過任一菊花鏈式通信接口捕獲的所有信息輪詢到 BCU。

智能 BJB 和傳統(tǒng) BJB 之間的區(qū)別在于對接觸器驅(qū)動器和爆炸熔絲的數(shù)字控制，用于在碰撞過程中斷開電池包與電動汽車系統(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)動器和爆炸熔絲，從而減少對 BCU 額外 SPI 資源的需求。

電池包使用由電池包監(jiān)測器控制的機械接觸器來連接或斷開整個車輛的子系統(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，機械高壓接觸器可能會因電弧和點蝕而焊接或損壞。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)動器來構(gòu)成可靠的固態(tài)繼電器，以便在汽車 BJB 中進行預(yù)充電。由于沒有移動部件，因此在更換機械預(yù)充電接觸器時，TPSI3050-Q1 可提高系統(tǒng)級可靠性或降低時基故障率。

高壓電池包的正極端子和負極端子必須與車輛底盤完全分離，從而保護駕駛員或技術(shù)人員免受潛在電擊。對這種分離的定期監(jiān)測稱為隔離檢查或絕緣電阻監(jiān)測。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）。通過使用 BQ79731-Q1 等電池包監(jiān)測器測量組合電阻，您可以確定電池分離是否在容差范圍內(nèi)（根據(jù)聯(lián)邦機動車輛安全標準第 305 號規(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，可將來自 CSU 和 BJB 菊花鏈的信號轉(zhuǎn)換為解碼比特流發(fā)送到 MCU。MCU 輪詢 CSU 和 BJB 測量的所有信息，計算電池狀態(tài)并對來自 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)建全面的電池測試環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)

為了驗證和測試 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、具有潛在危險的電池電芯之前測試所有功能。

TI 合作伙伴 Comemso 的電池電芯仿真器可提供各種模塊來進行 BMS 測試，并提供了可擴展的型號和不同的功能。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)計工程師的各種需求。

結(jié)論

隨著人們對技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)權(quán)衡越來越重視，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態(tài)設(shè)計格局。TI 的目標是使市場能夠敏捷地朝任何設(shè)計方向發(fā)展。了解 TI 的所有混合動力汽車/電動汽車 BMS 設(shè)計資源，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)的電動汽車采用率。

附加資源

●   德州儀器 (TI)：電動汽車電池管理中的有線通信與無線通信。

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

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

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