一文掌握電動(dòng)汽車電池管理方案

導(dǎo)讀：電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動(dòng)汽車的核心關(guān)鍵技術(shù)，其主要分為兩部分，第一部分是前端模擬測(cè)量保護(hù)電路 （AFE），包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測(cè)電路、電池平衡驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流量測(cè)、通訊電路；第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊，就是依據(jù)電壓、電流、溫度等前端計(jì)算，并將必要的信息通過(guò)通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。目前電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，被國(guó)外廠商壟斷，都選用國(guó)外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理IC，并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個(gè)本世紀(jì)才誕生的新產(chǎn)品，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)的難以控制和材料在這個(gè)過(guò)程中性能變化的難以捉摸，所以才需要這么一個(gè)管家來(lái)時(shí)刻監(jiān)督、調(diào)整、限制電池組的行為，以保障使用安全，其主要功能為：

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)電池的外特性參數(shù)（如電壓、電流、溫度等），采用適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；

2. 在正確獲取電池的狀態(tài)后進(jìn)行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報(bào)警等；

3. 建立通信總線，與顯示系統(tǒng)、整車控制器和充電機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要分為兩部分，第一部分是前端模擬測(cè)量保護(hù)電路 （AFE），包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測(cè)電路、電池平衡驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流量測(cè)、通訊電路；第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊，就是依據(jù)電壓、電流、溫度 等前端計(jì)算，并將必要的信息通過(guò)通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。

目前電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，被國(guó)外廠商壟斷，都選用國(guó)外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理IC，并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Maxim、Linear Technology（已被ADI收購(gòu)）、Intersil、TI、ADI、NXP是主要方案提供商。

Maxim方案

Maxim系列產(chǎn)品構(gòu)建完備的12節(jié)電池監(jiān)測(cè)方案，Maxim的電池監(jiān)測(cè)器（MAX172XX等系列）、電池保護(hù)器（DS277X系列）以及電池選擇器（MAX1538）能夠有效延長(zhǎng)電池工作壽命，確保安全、可靠的系統(tǒng)工作。其系列高壓器件有助于實(shí)現(xiàn)向低碳能源方案的轉(zhuǎn)變，器件集成了先進(jìn)的功能，可降低電池管理系統(tǒng)的尺寸、成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。消費(fèi)者則可獲得更高的系統(tǒng)可靠性、更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間和更快的產(chǎn)品上市時(shí)間。

Maxim方案特點(diǎn)：

1.極大地簡(jiǎn)化了多節(jié)電池組的設(shè)計(jì)。器件包含12個(gè)測(cè)量通道，采用電容隔離式階梯形SMBus通信總線，大大減少了元件數(shù)量，降低成本。這種獨(dú)特的架構(gòu)允許連接多達(dá)31個(gè)器件至串聯(lián)電池組，對(duì)多達(dá)372節(jié)電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；陔娙莸?a target="_blank">接口提供了成本極低的電池組間隔離，消除了級(jí)聯(lián)電氣故障。

2.具有優(yōu)異性能，Maxim的高壓、小尺寸BiCMOS工藝具有業(yè)內(nèi)最高耐壓（80V）和優(yōu)異的ESD保護(hù)（±2kV，人體模式）以及熱插拔功能，在較寬的工作溫度范圍內(nèi)確保符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，保持高度可靠性。

3.模擬前端包含12通道電壓測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一組高壓、帶故障容錯(cuò)的開(kāi)關(guān)輸入。高速、12位ADC對(duì)測(cè)試的電池電壓進(jìn)行數(shù)字化。采用兩相掃描技術(shù)，獲取電池測(cè)量數(shù)據(jù)并修正誤差，該技術(shù)可同時(shí)測(cè)量電池電壓，在10μs內(nèi)完成全部120節(jié)電池的電壓測(cè)量采樣，即使在嘈雜系統(tǒng)中也能確保優(yōu)異的精度。在整個(gè)電池標(biāo)稱工作溫度范圍內(nèi)誤差小于±0.25%，在整個(gè)AEC-Q100 2類溫度范圍內(nèi)誤差小于±20mV。

4.可將功耗降低10倍（工作模式下電流為100μA），以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。獨(dú)特的內(nèi)置關(guān)斷電路將功耗降至極低水平（漏電流僅為1μA），使電池可以保存若干年，而不損耗電池電量。

5.針對(duì)汽車應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，Maxim方案內(nèi)部具有配置和自診斷模式，這對(duì)于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作至關(guān)重要，能夠在存在磁場(chǎng)和瞬態(tài)噪聲的惡劣環(huán)境下確保無(wú)故障工作。Maxim采用大電流注入、帶狀線和車內(nèi)監(jiān)測(cè)等多種方式對(duì)IC進(jìn)行全面測(cè)試，確保在具有強(qiáng)瞬態(tài)電信號(hào)和磁場(chǎng)干擾的電動(dòng)車電池組中可靠工作。器件具有FMEA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的引腳開(kāi)路和短路故障檢測(cè)功能，并能夠處理內(nèi)部電路故障。

Maxim方案圖

Linear Technology方案

Linear technology的多節(jié)電池、高電壓電池組監(jiān)視器系列是完整的電池監(jiān)視 IC，它們內(nèi)置了 12 位 ADC、精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多工器和一個(gè)串行接口。可以把這些器件串聯(lián)起來(lái) （無(wú)需使用光耦合器或光隔離器） 以監(jiān)視到長(zhǎng)串聯(lián)接電池中每節(jié)電池。

Linear Technology的LTC6804-1 / LTC6804-2 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，專為汽車和運(yùn)輸應(yīng)用，特定封裝的 AEC-Q100 數(shù)據(jù)。

方案特點(diǎn)：

1.可測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)串聯(lián)電池的電壓，可堆疊式架構(gòu)能支持幾百個(gè)電池

2.內(nèi)置 isoSPITM 接口： 1Mbps 隔離式串行通信，采用單根雙絞線，長(zhǎng)達(dá) 100 米， 低 EMI 敏感度和輻射

3. 1.2mV 最大總測(cè)量誤差，可在 290μs 內(nèi)完成系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量：同步的電壓和電流測(cè)量

4. 具頻率可編程三階噪聲濾波器的 16 位增量累加 （ΔΣ） 型 ADC

5. 針對(duì) ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，具可編程定時(shí)器的被動(dòng)電池電荷平衡

6. 5 個(gè)通用的數(shù)字 I/O 或模擬輸入： 溫度或其他傳感器輸入，可配置為一個(gè) I2C或 SPI 主控器

7. 4μA 睡眠模式電源電流

Linear Technology方案應(yīng)用圖