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

隨著電動汽車 (EV) 日益流行，如何在反映真實續(xù)航里程的同時讓汽車更加經(jīng)濟(jì)實惠，成為汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)之一。首先，這意味著需要降低電池包成本并提高其能量密度。電芯中存儲和消耗的每瓦時能量都對延長續(xù)航里程至關(guān)重要。

電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要功能是監(jiān)測電芯電壓、電池包電壓和電池包電流。此外，鑒于 BMS 的高電壓設(shè)計，需要測量高壓域和低壓域之間的絕緣電阻，從而捕捉電池結(jié)構(gòu)中的缺陷并防止危險狀況發(fā)生。 

圖 1：傳統(tǒng)的 BMS 架構(gòu) (a)；具有智能電池接線盒 (BJB) 的 BMS 架構(gòu) (b)

圖 1 展示了典型的 BMS 架構(gòu)，其中包括電池管理單元 (BMU)、電芯監(jiān)控單元 (CMU) 和電池接線盒 (BJB)。BMU 通常包含一個微控制器 (MCU)，用來管理電池包中的所有功能。傳統(tǒng)電池接線盒是具有電源接觸器的繼電器盒或開關(guān)盒，用于將整個電池包與負(fù)載逆變器、電機(jī)或電池充電器連接。

圖 1a 顯示的是傳統(tǒng) BMS。接線盒內(nèi)部沒有有源電子產(chǎn)品，電池接線盒中所有的測量都在電池管理單元BMU進(jìn)行。電池接線盒通過線纜連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 端子。

圖 1b 顯示的是智能電池接線盒。接線盒內(nèi)部具有專用的電池包監(jiān)測器，可以測量所有電壓和電流，并通過簡單的雙絞線通信將信息傳遞給 MCU。這有助于消除布線和線束，并以更低的噪聲改進(jìn)電壓和電流測量。

電壓、溫度和電流測量

圖 2 展示了啟用BQ79731-Q1的電池包監(jiān)測器在電池接線盒內(nèi)所測量的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：電池接線盒內(nèi)部的高電壓測量

●   電壓：高電壓測量使用分壓電阻器串來實現(xiàn)。此類電壓測量可監(jiān)測系統(tǒng)中高電壓元件的運行狀態(tài)。

●   溫度：溫度測量監(jiān)測分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應(yīng)用補償，此外，接觸器的溫度也在監(jiān)測下，以確保其承受的負(fù)荷不超出正常運行條件。

●   電流：電流測量基于下列兩種器件之一：

    ○ 分流電阻器 - 由于電動汽車中的電流可以高達(dá)數(shù)千安，因此分流電阻值要非常小，為 25μOhms 至 50μOhms；

    ○ 霍爾效應(yīng)傳感器 - 用于測量電動汽車高電壓回路上的電流，這種測量方式是隔離的。通常情況下，其動態(tài)范圍有限，因此，系統(tǒng)中可能會使用多個傳感器來測量整個范圍。

過流故障檢測和保護(hù)

為了防止在短路、高壓端子裸露或設(shè)備故障的情況下對電池包造成重大損壞，必須在 BMS 中檢測并預(yù)防過流事件。集成在電池接線盒單元中的過流檢測電路將使用通過測量分流電阻器或霍爾效應(yīng)傳感器和電池包監(jiān)測器的電流，然后對該測量值進(jìn)行處理，并將其與電池包監(jiān)測器內(nèi)的閾值進(jìn)行比較。它們都能夠通過專用輸出發(fā)出過流事件信號，用于啟用保險絲驅(qū)動器來熔斷高壓分離器（爆炸熔絲）。由于對信號的反應(yīng)時間需要盡可能快，因此我們在電池包監(jiān)測器件中部署了專用信號處理路徑提升反應(yīng)速度。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是指電池包監(jiān)測器和電芯監(jiān)測器進(jìn)行電流和電壓采樣存在的延時時間。這些測量主要用于通過電化學(xué)阻抗跟蹤分析 (EIS) 來計算荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過測量電芯的電壓、電流和功率來計算電芯阻抗，BMS 就可以監(jiān)測汽車的瞬時功率。

電芯電壓、電池包電壓和電池包電流必須實現(xiàn)時間同步，以便提供更準(zhǔn)確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時間間隔稱為同步間隔，同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準(zhǔn)確。荷電狀態(tài)估算越準(zhǔn)確，那么駕駛員預(yù)計的剩余續(xù)航里程就越精確。

同步要求

新一代 BMS 需要將同步電壓和電流測量延遲控制在 1ms 內(nèi)，但要滿足這項要求會面臨如下挑戰(zhàn)：

TI 的電池監(jiān)測器可以通過向電芯監(jiān)測器和電池包監(jiān)測器發(fā)出 ADC 啟動命令來保持時間關(guān)系。這些電池監(jiān)測器還支持延遲 ADC 采樣，以此補償通過菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動命令引發(fā)的傳播延遲。

遠(yuǎn)程器件通信支持

智能電池接線盒的另一個優(yōu)勢是可通過使用多功能菊花鏈接口簡化數(shù)據(jù)通信，不僅適用于電池包和電池電芯監(jiān)測器件，還適用于遠(yuǎn)程器件（如 EEPROM 存儲器或放置在車輛不同物理位置模塊中的各類傳感器）。在這種情況下，電池包和監(jiān)測器件還充當(dāng)接口轉(zhuǎn)換器，提供通過菊花鏈接口傳輸?shù)?I2C 或 SPI 數(shù)據(jù)，從而減少了布線和線束，進(jìn)而降低了電動汽車的整體重量。

汽車行業(yè)的大規(guī)模電氣化發(fā)展促使需要通過在接線盒中添加電子產(chǎn)品來降低 BMS 復(fù)雜性，并且要提升系統(tǒng)安全性。電池包監(jiān)測器可以在本地測量繼電器之前和之后的電壓，以及整個電池包的電流。提升電壓和電流測量的精度可以直接促進(jìn)對電池的充分利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 器件可以將系統(tǒng)的所有必要功能集成到單個器件中，以此優(yōu)化智能電池接線盒的性能，并降低其未來成本。通過有效的電壓和電流同步，可以對健康狀況狀態(tài)、荷電狀態(tài)和 EIS 進(jìn)行精確計算，進(jìn)而充分利用電池。

此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池電芯監(jiān)測器系列可實現(xiàn)精確的電芯電壓和溫度測量，以此作為 CSU 部署的一部分，助力創(chuàng)建完善的 BMS 生態(tài)系統(tǒng)。

作者：Issac Hsu，德州儀器（TI）電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品市場經(jīng)理