汽車電池管理市場是否已準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)化?

　　Bart De Cock （安森美半導(dǎo)體 產(chǎn)品經(jīng)理）

　　Serge Peeters （VITO/EnergyVille 業(yè)務(wù)拓展）

　　Jeroen Büscher （VITO/EnergyVille 產(chǎn)品經(jīng)理）

　　摘 要：不斷變化的BMS要求正在推動CVM IC供應(yīng)商進(jìn)行大量的開發(fā)工作。同時，缺乏標(biāo)準(zhǔn)接口使OEM和電池系統(tǒng)制造商很難更換CVM IC供應(yīng)商。不同的OEM廠商總是會有不同的需求，因此基于模塊和基于單元的BMS方案將并存，有線或無線以及有無微控制器。如果將第二次使用的要求考慮在內(nèi)，并選擇一些標(biāo)準(zhǔn)的BMS內(nèi)部接口，則投資效率將會提高。為了增加潛在方案的靈活性并實現(xiàn)新興標(biāo)準(zhǔn)，提出了分兩步走的方法，第一步是在獨立的CVM和通信功能之間創(chuàng)建一個行業(yè)范圍內(nèi)的類似于SPI的標(biāo)準(zhǔn)接口。

　　關(guān)鍵詞：汽車；BMS；CVM；EV；PHEV

　　電動或插電式混合動力汽車(EV或PHEV)中的典型鋰離子電池組將含約100個電池元件(電池或并聯(lián)的電池)的串聯(lián)串。鋰離子電池需要通過電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行仔細(xì)的電壓和溫度監(jiān)控。在使用鋰離子電池充放電過程中，熱管理是個關(guān)鍵要求，因其溫度需要保持在工作范圍內(nèi)。鋰離子電池需要“保暖”才能正常工作，但在使用時會發(fā)熱，因此BMS必須能夠加熱和冷卻電池，或者至少由于這些原因需要監(jiān)視其溫度。如今，幾乎所有整車廠商(OEM)、tier-1電池系統(tǒng)供應(yīng)商和芯片供應(yīng)商都將有自己的BMS方案。預(yù)計未來幾年道路上的EV/PHEV汽車的數(shù)量將穩(wěn)定增長，BMS硬件供應(yīng)鏈中的任何變化都將成為問題。數(shù)量增加以及技術(shù)和/或經(jīng)濟(jì)參數(shù)的變化可能會迫使BMS硅供應(yīng)商改變。但是，由于硅供應(yīng)商不提供兼容的硬件，因此，為BMS選擇另一種芯片意味著tier-1和OEM廠商將面臨漫長的重新開發(fā)和重新認(rèn)證周期，這需要大量投資，同時存在著與驗證和認(rèn)證有關(guān)的風(fēng)險。

　　在“芯片內(nèi)”的詳細(xì)工作方面，使硅片供應(yīng)商保持一致將是個挑戰(zhàn)，因為每個供應(yīng)商的開發(fā)團(tuán)隊都有自己的知識產(chǎn)權(quán)(IP)。但只要所有方案都向主機(jī)控制器提供相似的數(shù)據(jù)(如通過寄存器)，就不需要完全一致。對于tier-1和OEM，可使用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口訪問不同供應(yīng)商的IC，這些IC在主要功能方面表現(xiàn)類似。這將擴(kuò)展到包括為滿足功能安全(FuSa)要求而采用的拓?fù)浞椒ǎ鏘SO 26262標(biāo)準(zhǔn)中所述。

　　檢查市場上目前可見的各種BMS拓?fù)涞膬?yōu)缺點，很明顯，方案之間的差異主要涉及以下問題：這是否應(yīng)該是模塊化BMS(即1個IC監(jiān)視多個電池元件串)(圖1)，或電池級BMS(即1個IC監(jiān)視單個電池元件)；應(yīng)該使用有線還是無線網(wǎng)絡(luò)；并且涉及微控制器或狀態(tài)機(jī)。盡管每種可用的拓?fù)涠紤?yīng)該存在，但如果有解決這所有問題的硅標(biāo)準(zhǔn)可用，將加速市場采用。

　　1 對標(biāo)準(zhǔn)化的探索

　　預(yù)測安裝在乘用車中的鋰離子電池數(shù)的增長速度幾乎是不可能的，已知的趨勢是上升。這主要是因為電池改善了汽車的全輪驅(qū)動能效。添加48 V系統(tǒng)最多可提高小型汽車25％的燃油消耗，而基于插電式混合動力汽車(PHEV)系統(tǒng)的大型汽車在短途通勤期間可實現(xiàn)與全電動汽車(EV)相當(dāng)?shù)娜加湍苄А?/p>

　　盡管全電動動力總成系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢，但對于許多車主來說，轉(zhuǎn)向全電動汽車目前尚不可行或在財務(wù)上不可行。但是，在不久的將來，來自越來越多的可再生能源工廠的剩余電力將為生產(chǎn)電子燃料提供基礎(chǔ)； 由氫氣(通過使用“綠色”電能電解水產(chǎn)生)和捕獲的二氧化碳結(jié)合而成。由此產(chǎn)生的電子燃料將與當(dāng)前的燃料分配供應(yīng)鏈兼容，并適用于現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)(ICE)技術(shù)。這可能會進(jìn)一步推動混合動力的采用，因為電力和碳中性傳動系統(tǒng)的組合可能會吸引消費(fèi)者和政府。

　　盡管目前有一些針對電池測試、安全性要求、尺寸方面和充電的標(biāo)準(zhǔn)(http://www.batterystandards.info/^[1])，但R. Ratz^[2]是最早確定還需要標(biāo)準(zhǔn)化電池管理系統(tǒng)(BMS)電子結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)之一。Everlasting^[3]項目的最新出版物研究了適用于BMS的標(biāo)準(zhǔn)，并討論了該領(lǐng)域中的現(xiàn)有差距。提出了BMS中可能標(biāo)準(zhǔn)化的不同項目，但是一個關(guān)鍵因素仍然存在：現(xiàn)有的電池管理IC不兼容。

　　2 現(xiàn)有的拓?fù)浜图軜?gòu)

　　BMS通常包含一個或多個單元電壓測量(CVM)從站，這些從站通過BMS內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與BMS主站聯(lián)接。CVM從站可以按單元、按串聯(lián)安裝的堆疊電池、按并聯(lián)電池或者任意組合進(jìn)行組織。如果CVM監(jiān)視堆疊的串聯(lián)電池，則適用術(shù)語“模塊化BMS”，而術(shù)語“單元級BMS”是指CVM連接到單個電池或多個并聯(lián)電池的拓?fù)洹?/p>

　　1) 模塊化BMS

　　模塊化BMS中CVM IC需要監(jiān)視的最大電壓由電池技術(shù)和串聯(lián)的電池數(shù)定義。雖然總電壓可能高得多，但將每個模塊的最大電壓限制為60V或更低是有利的，因為它需要的生產(chǎn)和維護(hù)程序不那么復(fù)雜。使用多個電池來設(shè)計模塊也是有利的，因為這減少了每個電池的成本，同時最小化系統(tǒng)中的模塊數(shù)。這意味著，視乎電池的類型、大小、形狀和最大電壓，以及最實際的模塊體積和重量，CVM IC可以監(jiān)視6～24個串聯(lián)電池。這凸顯了模塊化方法的弱點；在每個單元和模塊的PCB之間采用有線連接是一項繁瑣的任務(wù)。難以自動化這個工作。另一個缺點是需要特定的機(jī)械和熱設(shè)計以及認(rèn)證工作，這會導(dǎo)致成本增加，尤其是在產(chǎn)量相對較小的情況下。

　　但是，優(yōu)點之一是車廠或tier-1可設(shè)計針對不同電池組的一種模塊類型，以用于多種車型，這將有助于實現(xiàn)具有成本效益的批量生產(chǎn)。這些模塊是低壓子系統(tǒng)，一旦組裝和測試，拆開電池組后就可以收回大部分的開發(fā)和制造成本。(假設(shè)這些模塊已開發(fā)為可在二次使用的應(yīng)用程序中使用而無須更改硬件，請參見下文)。

　　每個模塊的電池數(shù)相對較高的可變性不一定會給CVM IC的內(nèi)部架構(gòu)帶來巨大挑戰(zhàn)。專用于與電池單元連接的實際硅面積可能相對較小。據(jù)估計，IC制造商可以重新封裝兩個不同的硅裸片來尋址6～24個串聯(lián)電池。高性價比的平衡元器件與CVM IC一起安裝在標(biāo)準(zhǔn)PCB上，并且該模塊甚至不需要包含微控制器。此外，每個模塊僅需要通信接口，高精度電壓基準(zhǔn)和大的低歐姆晶體管則可以關(guān)閉單個模塊，因此通常每個單元的電子器件成本可以保持較低。含嵌入式微控制器和先進(jìn)功能(如數(shù)據(jù)預(yù)處理，EIS(電化學(xué)阻抗譜)或無線連接）的智能模塊將導(dǎo)致每個電池的成本僅適度增加。

　　2) 單元級BMS

　　單元級BMS的優(yōu)勢在于CVM IC直接與電池通信，從而更易于精確的溫度監(jiān)測和EIS，甚至可以進(jìn)行壓力測量。兼容5 V的硅工藝足以構(gòu)建CVM，從而實現(xiàn)更高的集成度和更高的處理能力(如增加了數(shù)字信號處理或微控制器)，非常接近電池化學(xué)反應(yīng)。需要專用的供應(yīng)鏈，因為電池制造商應(yīng)向機(jī)電一體化/電子子系統(tǒng)制造發(fā)展，將緊湊的電子電路嵌入電池內(nèi)或連接到電池。值得注意的是，原始設(shè)備制造商(OEM)在鋰離子電池制造設(shè)施上的投資越來越多，有可能在將來保留所有選項以嵌入電子定制。

　　單元級BMS的另一個優(yōu)勢是完全沒有CVM模塊以及與之相關(guān)的所有成本。一個潛在的缺點是電子器件的成本上升，不僅由于獲取、處理和通信數(shù)據(jù)，而且由于電池平衡的耗散用于管理電池溫度。如果該應(yīng)用需要如鈦酸鋰(LTO)之類的電池類型，則每個電池組的電子器件成本會進(jìn)一步增加，開發(fā)相同系統(tǒng)電壓，串聯(lián)所需要的電池數(shù)約為普通鋰離子電池的兩倍。最后，每個電池的無線通信節(jié)點需要仔細(xì)設(shè)計，以避免節(jié)點之間的干擾，而每個電池的有線隔離通信接口說明有大量隔離元器件。

　　不過，這拓?fù)淇梢詾镺EM提供足夠的功能和系統(tǒng)優(yōu)勢，以抵消每個單元的電子器件相對較高的成本。

　　3 電池的第二次使用

正如UN^[4]發(fā)布的一篇文章中提到的那樣，循環(huán)經(jīng)濟(jì)對于實現(xiàn)《巴黎氣候協(xié)定》的目標(biāo)至關(guān)重要。但是，當(dāng)考慮將汽車電池重新用于固定式應(yīng)用^[5]時，現(xiàn)今存在許多不確定因素，仍有許多工作要做。一個重要方面是，從電池系統(tǒng)開發(fā)開始就必須考慮電池子系統(tǒng)的重用要求。例如，重用模塊(或單元級BMS中的單元)比重用整個汽車包更可行。出于安全考慮，住宅儲能方案通常限制在60 V或以下，這在很大程度上與汽車模塊兼容。另一個方面是，重新用于第二次應(yīng)用的汽車電池應(yīng)具有一定的預(yù)期壽命保證。這可通過帶有健康狀態(tài)(SoH)估計的本地EIS以及集成在電池子系統(tǒng)中的EEPROM存儲器來存儲歷史電池使用數(shù)據(jù)來確保。目前尚不清楚是否需要在單元或模塊中使用微控制器，只要第一次使用和第二使用的BMS可以訪問此功能和內(nèi)存即可。因此，無論選擇了模塊化BMS還是單元級BMS，二次使用BMS都應(yīng)該能夠利用最初應(yīng)用的數(shù)據(jù)和通信接口。如果單元或模塊包含帶有OEM專用軟件的微控制器，則也應(yīng)該可以完全刪除、禁用或替換該軟件。然后，將具有新附加值的軟件和專用IP加載到靈活的硬件平臺上，以創(chuàng)建第二次(重新)制造的應(yīng)用程序。顯然，在解決電池管理芯片組的任何可能標(biāo)準(zhǔn)化問題時，第二次使用考慮因素將影響要求^[6]。

　　4 采取步驟邁向標(biāo)準(zhǔn)化

　　查看市場上現(xiàn)有的不同CVM IC及其BMS內(nèi)部通信接口，可以看出，大多數(shù)通信接口目前都是專有的，并受到專利保護(hù)（圖2）。

　　盡管可以對單個CVM方案進(jìn)行成本優(yōu)化，但從其他制造商處選擇CVM芯片也意味著更改通信接口，從而導(dǎo)致開發(fā)周期長，驗證和認(rèn)證過程中存在大量投資和風(fēng)險。同時，由于需求不斷變化，用于模塊化BMS架構(gòu)的單個CVM IC方案也在不斷進(jìn)行審查。通過不斷發(fā)展的過程，行業(yè)成員正在嘗試維護(hù)盡可能多的體系結(jié)構(gòu)，僅添加所需的那些功能。但是，新功能正變得非常多樣化，需要進(jìn)行重大的硅片更改，如增加無線接口，用于控制切換FET的轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，EIS功能的引入或附加微控制器以提供額外的預(yù)處理或更大的模塊靈活性。這種變化水平帶來了重新思考CVM IC方法和尋求CVM IC之間更多標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)會，從而避免了過去的缺陷。

　　從前面有關(guān)選擇模塊化或單元級BMS的討論中可以明顯看出，模塊化BMS中使用的IC與單元級BMS中使用的IC完全不同。但是，通過將單元監(jiān)視功能與通信功能分離開來采取兩步走的方法，在CVM接口方面似乎有一些標(biāo)準(zhǔn)化的空間(圖3)。

　　舉例來說，行業(yè)成員可以在CVM IC和通信IC之間定義一個準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口(SPI)，并具有商定的最小命令子集和各種數(shù)據(jù)的定義位置，例如：電壓和溫度讀數(shù)；平衡指令；欠壓和過壓閾值；FuSa方法和循環(huán)冗余校驗(CRC)的大小。該通用協(xié)議將使電池電壓監(jiān)視功能與通信接口分離，并允許OEM和供應(yīng)商為應(yīng)用選擇最合適的兩芯片設(shè)計方法。

　　大多數(shù)無線和電力線通信(PLC)方案是基于具有閃存的嵌入式微控制器的自然軟件定義的應(yīng)用。盡管這與實現(xiàn)更高集成度的要求非常吻合，但這些IC技術(shù)通常專注于面向物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的消費(fèi)類產(chǎn)品，因此不符合用于模塊化BMS中CVM IC的混合信號汽車工藝（<60 V）。因此，最好的架構(gòu)是兩芯片法。在兩個單獨的集成器件中托管CVM和通信功能。邁向更高集成度的第二步可能是將這些器件封裝在同一封裝中。有線通信接口可能仍然需要其他收發(fā)器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，具體取決于所選的隔離技術(shù)。例如，以太網(wǎng)或CAN具有可以與微控制器集成在專用或標(biāo)準(zhǔn)通信芯片中的協(xié)議。

　　當(dāng)然，仍有可能將CVM功能與通信功能集成在單個器件中，特別是對于單元級BMS。但是，由于不同的OEM要求以及未來幾年(對于CVM和通信功能)的潛在變化，因此謹(jǐn)慎地首先隔離問題并通過開發(fā)兩芯片方法解決問題，同時對接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，似乎是明智的選擇，單元和模塊級PCB通常足夠大以容納兩芯片方案。集成生命周期有限的專有方案并沒有立即的需求或欲望(尤其是在成本方面)。但是，一旦為BMS內(nèi)部通信(有線和無線通信)制定了行業(yè)范圍內(nèi)可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)，并且出現(xiàn)了兼容的供應(yīng)商群，那么開發(fā)風(fēng)險將足以緩解，以鼓勵制造商整合CVM和通信功能到單個器件中。

　　5 總結(jié)

　　不斷變 化的BMS要求正在推動CVM IC供應(yīng)商進(jìn)行大量的開發(fā)工作。同時，缺乏標(biāo)準(zhǔn)接口使OEM和電池系統(tǒng)制造商很難更換CVM IC供應(yīng)商。不同的OEM廠商總是會有不同的需求，因此基于模塊和基于單元的BMS方案將并存，有線或無線以及有無微控制器。如果將第二次使用的要求考慮在內(nèi)，并選擇一些標(biāo)準(zhǔn)的BMS內(nèi)部接口，則投資效率將會提高。為了增加潛在方案的靈活性并實現(xiàn)新興標(biāo)準(zhǔn)，提出了分兩步走的方法，第一步是在獨立的CVM和通信功能之間創(chuàng)建一個行業(yè)范圍內(nèi)的類似于SPI的標(biāo)準(zhǔn)接口。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3] J A Y ARAMAN B , VEMIREDDYP.D6.7Batery Management System standard.EVERLASTING, 2019.

　　[4] Circular Economy is Crucial to Paris Goals – Study[J].UN Climate Change News,(2018-6-6).

　　[5] MARTINEZ-LASERNA

E, GANDIAGA I, SARASKETAZABALAE, et al. Battery second life: Hype, hope or reality?A critical review of the state of the art[M]. Renewable andSustainable Energy Reviews 93,2018: 701–718.

　　[6] ECODESIGN preparatory Study for Batteries[R/OL].[2020-03].https://ecodesignbatteries.eu/documents.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第15頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）