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一文掌握電動汽車電池管理方案

電子發燒友網2020-04-15 12:46:53

導讀:電池管理系統(BMS)是電動汽車的核心關鍵技術,其主要分為兩部分,第一部分是前端模擬測量保護電路 (AFE),包括電池電壓轉換與量測電路、電池平衡驅動電路、開關驅動電路、電流量測、通訊電路;第二部分是后端數據處理模塊,就是依據電壓、電流、溫度等前端計算,并將必要的信息通過通信接口回傳給系統做出控制。目前電動汽車的電池管理系統(BMS)產品設計方案,被國外廠商壟斷,都選用國外半導體IC廠商提供的電池管理IC,并以其應用方案為參考進行設計。


電池管理系統(BMS)是一個本世紀才誕生的新產品,因為電化學反應的難以控制和材料在這個過程中性能變化的難以捉摸,所以才需要這么一個管家來時刻監督、調整、限制電池組的行為,以保障使用安全,其主要功能為:


1. 實時監測電池狀態。通過檢測電池的外特性參數(如電壓、電流、溫度等),采用適當的算法,實現電池內部狀態(如容量和SOC等)的估算和監控,這是電池管理系統有效運行的基礎和關鍵;


2. 在正確獲取電池的狀態后進行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警等;


3. 建立通信總線,與顯示系統、整車控制器和充電機等實現數據交換。


電池管理系統(BMS)主要分為兩部分,第一部分是前端模擬測量保護電路(AFE),包括電池電壓轉換與量測電路、電池平衡驅動電路、開關驅動電路、電流量測、通訊電路;第二部分是后端數據處理模塊,就是依據電壓、電流、溫度等前端計算,并將必要的信息通過通信接口回傳給系統做出控制。


目前電動汽車的電池管理系統(BMS)產品設計方案,被國外廠商壟斷,都選用國外半導體IC廠商提供的電池管理IC,并以其應用方案為參考進行設計。


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


Maxim方案


Maxim系列產品構建完備的12節電池監測方案,Maxim的電池監測器(MAX172XX等系列)、電池保護器(DS277X系列)以及電池選擇器(MAX1538)能夠有效延長電池工作壽命,確保安全、可靠的系統工作。其系列高壓器件有助于實現向低碳能源方案的轉變,器件集成了先進的功能,可降低電池管理系統的尺寸、成本和設計復雜度。消費者則可獲得更高的系統可靠性、更長的電池使用時間和更快的產品上市時間。


Maxim方案特點:


1.極大地簡化了多節電池組的設計。器件包含12個測量通道,采用電容隔離式階梯形SMBus通信總線,大大減少了元件數量,降低成本。這種獨特的架構允許連接多達31個器件至串聯電池組,對多達372節電池進行監測。基于電容的接口提供了成本極低的電池組間隔離,消除了級聯電氣故障。


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


3.模擬前端包含12通道電壓測量數據采集系統和一組高壓、帶故障容錯的開關輸入。高速、12位ADC對測試的電池電壓進行數字化。采用兩相掃描技術,獲取電池測量數據并修正誤差,該技術可同時測量電池電壓,在10μs內完成全部120節電池的電壓測量采樣,即使在嘈雜系統中也能確保優異的精度。在整個電池標稱工作溫度范圍內誤差小于±0.25%,在整個AEC-Q100 2類溫度范圍內誤差小于±20mV。


4.可將功耗降低10倍(工作模式下電流為100μA),以延長電池使用時間。獨特的內置關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.針對汽車應用優化設計,Maxim方案內部具有配置和自診斷模式,這對于安全監測系統的工作至關重要,能夠在存在磁場和瞬態噪聲的惡劣環境下確保無故障工作。Maxim采用大電流注入、帶狀線和車內監測等多種方式對IC進行全面測試,確保在具有強瞬態電信號和磁場干擾的電動車電池組中可靠工作。器件具有FMEA標準規定的引腳開路和短路故障檢測功能,并能夠處理內部電路故障。


Maxim方案圖


Linear Technology方案


Linear technology的多節電池、高電壓電池組監視器系列是完整的電池監視 IC,它們內置了 12 位 ADC、精準的電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。可以把這些器件串聯起來 (無需使用光耦合器或光隔離器) 以監視到長串聯接電池中每節電池。


Linear Technology的LTC6804-1 / LTC6804-2 - 多節電池的電池組監視器,專為汽車和運輸應用,特定封裝的 AEC-Q100 數據。


方案特點:


1.可測量多達 12 個串聯電池的電壓,可堆疊式架構能支持幾百個電池

2.內置 isoSPITM 接口: 1Mbps 隔離式串行通信,采用單根雙絞線,長達 100 米, 低 EMI 敏感度和輻射

3. 1.2mV 最大總測量誤差,可在 290μs 內完成系統中所有電池的測量:同步的電壓和電流測量

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 ISO26262 標準的系統工程設計,具可編程定時器的被動電池電荷平衡

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

7. 4μA 睡眠模式電源電流


Linear Technology方案應用圖


Intersil方案


Intersi 的ISL78600鋰離子電池管理器集成電路監督多達12串聯連接的電池。提供準確的監測,電池均衡和廣泛的系統診斷功能。三種電池平衡模式結合-手動均衡模式,定時平衡模式和自動平衡模式。自動均衡模式下終止時表示由主機微控制器規定的電荷轉移的價值已經達到了平衡作用。


Intersil的HEV/EV解決方案保證了客戶遵從ISO26262 (ASIL) 規范,防止電池組出現故障。該解決方案還對所有主要內部功能提供了內置的故障檢測,而且能夠檢測外部故障,例如線路中斷、過電壓和低電壓,以及溫度和電池平衡故障。


Intersil電池管理系統為精確的充電狀態測量提供了所需的高精確度,從而延長車輛行駛里程和高性能鋰離子電池的壽命。為了做到這一點,每個芯片都采用一個14位溫度補償式的數據轉換器,可在250微秒內掃描12個通道。


為了使系統內的通信盡可能達到最高的可靠性,Intersil電池管理器采用高抗噪和瞬態容錯通信機制。這種全差分菊鏈架構允許使用低成本的雙絞線將多個電池組堆疊在一起,同時防止熱插拔和較高的瞬態電壓。Intersil 解決方案的優點可顯著降低電池管理系統的總體成本。


ISL78600允許通過2.5MHz SPI或400KHz I2C接口輕松地連接微控制器,并且可在-40°C至+105°C的溫度范圍內運行。


Intersil電池管理系統(BMS)方案圖


TI方案


TI提供鋰離子電池監控(適合3-16節串聯電池)、電池保護、認證和外設 IC 的多功能組合。監控器采集重要電池參數,如電壓、電流和溫度,并將這些信息轉發給微控制器。電池保護器檢測從簡單(僅過壓)到高級(檢測更多故障)的多種故障條件,如過壓、欠壓、放電過流和短路。認證和識別 IC 提供針對電池組和配件(如充電電纜和打印機墨盒)的安全認證或識別。電池外設 IC 可通過先進技術(如主動電池平衡(ACB) 技術)大幅擴充電池組的容量。


方案特點:


TI推薦電動車所采用的主動均衡方式:每個電池芯藉由矩陣開關控制變壓器與充電線路的組合,形成一個有調整功能的電壓/電流「蓄水池」的功能,當電池芯由于多次充放電后產生不一致性而導致整組電池充放電容量下降,可藉由后端連接蓄水池的線路做調整,充電時不會因為監控到某個電池芯內壓過高而停止充電,放電時也可以完全的100%的釋放能源,進而延長電動車的行駛距離。


TI在隔離式DC-DC主動均衡技術的能源轉換效率高達87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應芯片所組成,其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片,與EMB1499為七信道電壓控制芯片等,來建構十四通道雙向主動式電池芯均衡功能,串聯14顆電池芯與最高60V工作電壓,提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力,并滿足AECQ-100車用電子驗證標準。


德州儀器 (TI)電池管理系統(BMS)方案圖

ADI 方案


ADI的AD7280A 內置對電動汽車所用疊層鋰離子電池進行通用監控所需的全部功能。該器件具有多路復用電池電壓和輔助ADC測量通道,可用于最多6個電池的電池管理。同時提供±3 ppm內部基準電壓,使電池電壓精度可達±1.6 mV。ADC分辨率為12位,轉換48個單元只需7 μs時間。


AD7280A采用單VDD電源供電,電源電壓范圍為8 V至30 V(絕對最大額定值為33 V)。該器件提供六個差分模擬輸入通道,以處理整個VDD范圍內的大共模信號。各通道允許的輸入信號范圍(VIN(+)至VIN(?))為1 V至5 V。輸入引腳可接受六個串聯疊置的電池。此外器件內置六個輔助ADC輸入通道,可用于溫度測量或系統診斷。


AD7280A內置片內寄存器,可根據應用要求對通道測量的時序進行編程。另外還內置動態提醒功能,可檢測電池電壓或輔助ADC輸入是否超出用戶定義的上限或下限。AD7280A具有電池平衡接口輸出,用來控制外部FET晶體管,允許各電池放電。


AD7280A內置的自測功能可在內部將一個已知電壓施加于ADC輸入。利用菊花鏈接口,最多可將八個器件堆疊起來,而無需單獨的器件隔離。


AD7280A僅需一個電源引腳,正常工作條件下的功耗為6.5 mA,轉換速率為1 MSPS。


ADI 電池管理系統(BMS)方案圖


NXP 方案


世平集團推出基于 NXP 芯片的汽車 BMS 電池管理系統解決方案, 可監測單節電池的電壓、溫度, 監測整串的電壓、電流、溫度。


方案規格:


① 監測單節電池的電壓、溫度

② 監測整串的電壓、電流、溫度

③ 單節電池間被動均衡功能

④ 電池包間CAN 總線或者菊花鏈連接

⑤ 帶有多種保護和診斷功能

⑥ 單顆 MC33771可監測 8- 14 串電池

⑦ 內置被動均衡 MOSFET,最大支持300 mA 被動均衡電流

⑧ 內置庫倫計,用于電流檢測

⑨ ASIL C 芯片功能安全等級

⑩ 最高支持 15 顆 MC33771 級聯

? 檢測精度 2mV

? 支持 43 種內部自檢測功能

? 65 us 內同步測量電壓電流


功能框圖:

技術先進、產品穩定可靠是這六家國外公司電池管理產品的核心特點,從技術、功能、品質、標準規范四個維度闡釋了他們的競爭力。


華強聚豐擁有電子發燒友(百萬電子工程師社區平臺:www.elecfans.com)、華強PCB(多層線路板制造專家:www.hqpcb.com)、華強芯城(電子元器件及SMT在線商城:www.hqchip.com)三大主營業務,以互聯網信息技術改善傳統制造業,打通電子產業鏈上下游,形成服務于整個電子產業鏈的一站式服務平臺,為客戶降低成本,提升品質,加速進程。

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