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量保護(hù)電路 (AFE)，包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測電路、電池平衡驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流量測、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，被國外廠商壟斷，都選用國外半導(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)過程中性能變化的難以捉摸，所以才需要這么一個(gè)管家來時(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)測電池狀態(tài)。通過檢測電池的外特性參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)，采用適當(dāng)?shù)乃惴?，?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量保護(hù)電路 (AFE)，包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測電路、電池平衡驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流量測、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，被國外廠商壟斷，都選用國外半導(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)、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)測方案，Maxim的電池監(jiān)測器(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.極大地簡化了多節(jié)電池組的設(shè)計(jì)。器件包含12個(gè)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(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?；陔娙莸慕涌谔峁┝顺杀緲O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通道電壓測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一組高壓、帶故障容錯(cuò)的開關(guān)輸入。高速、12位ADC對(duì)測試的電池電壓進(jìn)行數(shù)字化。采用兩相掃描技術(shù)，獲取電池測量數(shù)據(jù)并修正誤差，該技術(shù)可同時(shí)測量電池電壓，在10μs內(nèi)完成全部120節(jié)電池的電壓測量采樣，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)測系統(tǒng)的工作至關(guān)重要，能夠在存在磁場和瞬態(tài)噪聲的惡劣環(huán)境下確保無故障工作。Maxim采用大電流注入、帶狀線和車內(nèi)監(jiān)測等多種方式對(duì)IC進(jìn)行全面測試，確保在具有強(qiáng)瞬態(tài)電信號(hào)和磁場干擾的電動(dòng)車電池組中可靠工作。器件具有FMEA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的引腳開路和短路故障檢測功能，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?？梢园堰@些器件串聯(lián)起來 (無需使用光耦合器或光隔離器) 以監(jiān)視到長串聯(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，長達(dá) 100 米， 低 EMI 敏感度和輻射

3. 1.2mV 最大總測量誤差，可在 290μs 內(nèi)完成系統(tǒng)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(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

Intersil方案

Intersi 的ISL78600鋰離子電池管理器集成電路監(jiān)督多達(dá)12串聯(lián)連接的電池。提供準(zhǔn)確的監(jiān)測，電池均衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。三種電池平衡模式結(jié)合-手動(dòng)均衡模式，定時(shí)平衡模式和自動(dòng)平衡模式。自動(dòng)均衡模式下終止時(shí)表示由主機(jī)微控制器規(guī)定的電荷轉(zhuǎn)移的價(jià)值已經(jīng)達(dá)到了平衡作用。

Intersil的HEV/EV解決方案保證了客戶遵從ISO26262 (ASIL) 規(guī)范，防止電池組出現(xiàn)故障。該解決方案還對(duì)所有主要內(nèi)部功能提供了內(nèi)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(tǒng)為精確的充電狀態(tài)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(diǎn)，每個(gè)芯片都采用一個(gè)14位溫度補(bǔ)償式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可在250微秒內(nèi)掃描12個(gè)通道。

為了使系統(tǒng)內(nèi)的通信盡可能達(dá)到最高的可靠性，Intersil電池管理器采用高抗噪和瞬態(tài)容錯(cuò)通信機(jī)制。這種全差分菊鏈架構(gòu)允許使用低成本的雙絞線將多個(gè)電池組堆疊在一起，同時(shí)防止熱插拔和較高的瞬態(tài)電壓。Intersil 解決方案的優(yōu)點(diǎn)可顯著降低電池管理系統(tǒng)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(nèi)運(yùn)行。

Intersil電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖

TI方案

TI提供鋰離子電池監(jiān)控(適合3-16節(jié)串聯(lián)電池)、電池保護(hù)、認(rèn)證和外設(shè) IC 的多功能組合。監(jiān)控器采集重要電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器。電池保護(hù)器檢測從簡單(僅過壓)到高級(jí)(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(rèn)證和識(shí)別 IC 提供針對(duì)電池組和配件(如充電電纜和打印機(jī)墨盒)的安全認(rèn)證或識(shí)別。電池外設(shè) IC 可通過先進(jìn)技術(shù)(如主動(dòng)電池平衡 (ACB) 技術(shù))大幅擴(kuò)充電池組的容量。

方案特點(diǎn)：

TI推薦電動(dòng)車所采用的主動(dòng)均衡方式：每個(gè)電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合，形成一個(gè)有調(diào)整功能的電壓/電流「蓄水池」的功能，當(dāng)電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導(dǎo)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(diào)整，充電時(shí)不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)控到某個(gè)電池芯內(nèi)壓過高而停止充電，放電時(shí)也可以完全的100%的釋放能源，進(jìn)而延長電動(dòng)車的行駛距離。

TI在隔離式DC-DC主動(dòng)均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應(yīng)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(gòu)十四通道雙向主動(dòng)式電池芯均衡功能，串聯(lián)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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

德州儀器 (TI)電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖

ADI 方案

ADI的AD7280A 內(nèi)置對(duì)電動(dòng)汽車所用疊層鋰離子電池進(jìn)行通用監(jiān)控所需的全部功能。該器件具有多路復(fù)用電池電壓和輔助ADC測量通道，可用于最多6個(gè)電池的電池管理。同時(shí)提供±3 ppm內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使電池電壓精度可達(dá)±1.6 mV。ADC分辨率為12位，轉(zhuǎn)換48個(gè)單元只需7 μs時(shí)間。

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

AD7280A內(nèi)置片內(nèi)寄存器，可根據(jù)應(yīng)用要求對(duì)通道測量的時(shí)序進(jìn)行編程。另外還內(nèi)置動(dòng)態(tài)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(nèi)置的自測功能可在內(nèi)部將一個(gè)已知電壓施加于ADC輸入。利用菊花鏈接口，最多可將八個(gè)器件堆疊起來，而無需單獨(dú)的器件隔離。

AD7280A僅需一個(gè)電源引腳，正常工作條件下的功耗為6.5 mA，轉(zhuǎn)換速率為1 MSPS。

ADI 電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖

NXP 方案

世平集團(tuán)推出基于 NXP 芯片的汽車 BMS 電池管理系統(tǒng)解決方案， 可監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度， 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度。

方案規(guī)格：

① 監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度

② 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度

③ 單節(jié)電池間被動(dòng)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(hù)和診斷功能

⑥ 單顆 MC33771可監(jiān)測 8- 14 串電池

⑦ 內(nèi)置被動(dòng)均衡 MOSFET，最大支持300 mA 被動(dòng)均衡電流

⑧ 內(nèi)置庫倫計(jì)，用于電流檢測

⑨ ASIL C 芯片功能安全等級(jí)

⑩ 最高支持 15 顆 MC33771 級(jí)聯(lián)

檢測精度 2mV

支持 43 種內(nèi)部自檢測功能

65 us 內(nèi)同步測量電壓電流

功能框圖：

技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品穩(wěn)定可靠是這六家國外公司電池管理產(chǎn)品的核心特點(diǎn)，從技術(shù)、功能、品質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范四個(gè)維度闡釋了他們的競爭力。