電動汽車熱潮下的BMS技術，將走向何方？

電池組是電動汽車最重要的部件之一，就成本而言，它幾乎占到車輛成本的40%。電池組包括為電動汽車傳動系統(tǒng)供電的鋰離子電池，以及一種名為電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的智能解決方案。

電動汽車BMS又分為低壓（LV）和高壓（HV）兩類。其中，≤30VAC和≤60VDC屬于低壓級別，主要應用于輕型電動和混合動力車輛（2輪或3輪車）；高壓BMS有兩個級別，工作電壓范圍分別為≤600VAC和≤900VDC以及≤1,000VAC和≤1,500VDC，主要應用于電動汽車、電動巴士、電動卡車（4輪車）等，這些車輛常常需要串聯(lián)和并聯(lián)多個鋰離子電池，例如400V、20kWh電動巴士的高壓BMS（含LiFePO4電池）就由125個串聯(lián)電池和1個并聯(lián)電池組成。

從物理特性來看，鋰離子電池組的爆炸威力類似于小型炸藥，未經(jīng)控制的熱失控會導致爆炸和火災的發(fā)生，對車輛乘員來說這個潛在的威脅可能是致命的。因此，密切關注電池組的電壓、電荷和溫度等參數(shù)的變化非常重要。從應用角度來看，為了從一次充電中獲得更多里程、減少充電時間，且盡可能地地降低電動汽車電池組的總成本，除了嘗試采用新的電池化學成分以及新的架構外，電動汽車高壓BMS的高效設計也非常關鍵。

BMS：電動汽車安全可靠工作的守護者

鋰離子電池具有高充電密度，為大多數(shù)電動汽車提供動力。不過，這些電池組在使用過程中存在著高度不穩(wěn)定性和安全隱患。因此，這些電池在任何時候都不應處于過度充電或達到深度放電狀態(tài)。

熱失控通常是指充電或過度充電時流過電池的電流導致電池過熱，這種情況將損害電池的壽命或容量。不同鋰電池之間的不一致性是必然存在的一種現(xiàn)象，要想保證電池組的安全高效運行，這些電池必須同時工作在狹小的安全窗口內。

在實際應用中，這一管理過程非常具有挑戰(zhàn)性，因為在電動汽車中，許多電池單元被組合在一起形成一個電池組，每個電池單元都需要單獨監(jiān)控，以確保其安全和高效運行，電池數(shù)量越多，管理難度就越大。此時，堪稱電動汽車守護者的電池管理系統(tǒng)（BMS）的作用就極為重要。

電動汽車BMS是控制電池組正常工作的中央單元，它能確保鋰離子電池安全、可靠和高效運行，通常通過監(jiān)測和測量電池參數(shù)并評估SoC（充電狀態(tài)）和SoH（健康狀態(tài)）來管理電池組。BMS主要通過確保電池組在SoA（安全操作區(qū)）下安全地工作，從而保護電池組中的電池；電池數(shù)量越多，BMS的設計難度越大。以Model3為例，它的BMS需管理2,976節(jié)21700電池，或許是目前市場上復雜度最高的電動汽車電池管理系統(tǒng)之一。

BMS常常被看作是電池組的大腦，它的主要功能是保證電動汽車的電池受到保護，防止任何超出其安全極限的操作。以下是電動汽車BMS執(zhí)行的四大常規(guī)功能：

1 電池監(jiān)測

在充電或放電時，需要隨時對電池進行監(jiān)測，任何不符合規(guī)范的情況都必須在觸發(fā)安全機制的同時進行識別和報告。在此階段，需運行一些算法來計算充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）。在這里，監(jiān)測SoC可確保電池不會過充或充電不足。有時SoC也被視為電動汽車的“燃料”指示器，它能顯示電池中剩余的電量，并據(jù)此確定車輛的續(xù)航里程。SoH是電池整體健康狀況的指標，可洞察電池的運行狀況，根據(jù)這些信息，可以預測電池壽命并制定維護計劃。

2 功率優(yōu)化

電池監(jiān)測的直接結果是對電池功率進行優(yōu)化。當電池監(jiān)測功能確定了SoC和SoH后，電動汽車BMS的工作就是將SoC和SoH參數(shù)保持在規(guī)定值內。當電池充電時，BMS確定單個電池中允許流過多少電流。在電動汽車運行期間，電池處于放電狀態(tài)，BMS要確保電壓水平不會過低。

3 電動汽車的安全性

未檢測到的電池熱失控可能會導致重大安全事故。BMS通過采集電壓、溫度和電流等數(shù)據(jù)以優(yōu)化功率，類似的數(shù)據(jù)也常常用于保證車輛的安全性，以符合ISO26262等標準的要求。當然，車輛的安全性也涉及到另一個方面的要求，即車身/底盤與電池組必須絕緣，以避免對車輛乘員造成電擊。

4 電池充電優(yōu)化

電池的健康狀況會隨著時間的推移而不斷變差。比如，電芯受熱后有時會出現(xiàn)輕微損壞，并開始以低于其他電芯的電壓充電。BMS要能夠識別此故障并優(yōu)化充電過程，以便所有電池都以較低的電壓充電，以此減少整個電池組的壓力，提高整體壽命。當然，BMS診斷也會將此問題存儲為故障代碼，以便在稍后階段修復。此外，電池端子的氧化也可能導致電壓降低，BMS需要適應這些變化并使電池達到最佳性能。

BMS設計的技術考慮

在設計BMS時，必須考慮各種因素，主要應包含四個關鍵功能：

一是參數(shù)估算。要能估算電芯級和組件級的SoC、SoH，并通過CAN與控制器通信。

二是數(shù)據(jù)存儲。BMS應記錄來自電池組和單個電芯的電信號，并將其存儲在內置存儲器中。

三是控制功能。BMS需要測量溫度、電壓和電流，并控制這些參數(shù)以實現(xiàn)電芯的平衡。

四是診斷功能。預測故障、監(jiān)測電芯的變化、感知錯誤、識別安全風險并向駕駛員發(fā)送信息以供決策。

#01 TI BQ79616-Q1

BQ79616-Q1是TI公司提供的汽車類16節(jié)串聯(lián)精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成保護器，符合ASIL-D標準，在不到200μs的時間內為HEV/EV中高壓電池管理系統(tǒng)中的16S電池模塊提供高精度電池電壓測量。

借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實施系統(tǒng)。集成的ADC低通濾波器可以執(zhí)行經(jīng)過濾波、類似于直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態(tài)（SoC）。該器件還支持自主內部電池平衡，并通過監(jiān)測溫度來自動暫停和恢復平衡，以免出現(xiàn)過熱條件。

此外，器件中包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進行隔離，并且能夠使用更高效的組件實現(xiàn)xEV動力總成系統(tǒng)中常見的集中式或分布式架構。在通信線路中斷的情況下，菊花鏈通信接口可配置為環(huán)形架構，允許主機與堆棧兩端的設備通信。器件中的8個GPIO或輔助輸入可執(zhí)行外部熱敏電阻測量。

圖1：簡化版BQ79616-Q1系統(tǒng)框圖

（圖源：TI）

BMS在測量電芯的電流和電壓后，會將相關信息發(fā)送給一個應用程序，該應用程序將確定電池的SoC狀態(tài)。這些測量值通過計算電池的實際最大容量（隨著時間的推移而減少），幫助確定電池的健康狀態(tài)（SoH）和剩余使用壽命（RUL），并據(jù)此估計電池是否仍適合運行或需要更換。通過確定每個電芯的SoC和SoH，BMS可以平衡其充電和放電，以確保所有電芯的一致性，從而延長電池壽命并提高性能。

#02 STMicroelectronics L99963E

STMicroelectronics的鋰離子電池監(jiān)測和保護芯片L99963E，在確保電池安全運行方面發(fā)揮著至關重要的作用。傳統(tǒng)上，工程師們關注的首要BMS特性是其準確性，因此，BMS不僅要高精度地測量每個電池單元的狀態(tài)，而且還必須非常快速地進行測量，否則，應用程序將無法提供反映實際充電狀態(tài)的結果。

L99963E在測量電流以了解每個電芯的實際容量時提供了極高的精度，最大誤差僅為±2mV。此外，L99963E還具有冗余功能，能夠交叉檢查模數(shù)轉換器（ADC），以確保其準確性，如果它們不再可靠，該模塊可以迫使相鄰的ADC接管故障ADC并解決問題。菊花鏈中的L99963E還通過提供2.66Mbps帶寬的串行總線進行通信，而市場上很多產(chǎn)品的帶寬都在1Mbps左右。讀取和處理434個電芯，L99963E僅僅需要4ms至16ms的時間。

一個成功的BMS方案從最初的方案設計到最終產(chǎn)品落地，設計過程絕非易事。為此，ST為L99963E提供了兩個評估板：一個是EVAL-L99963E-MCU，它包括一個微控制器，并帶有圖形用戶界面STSW-L9963E，以幫助開發(fā)人員更快地創(chuàng)建應用程序。另一個是EVAL-L99963E-NDS，可將多個L99963E放在菊花鏈中。

圖2：鋰離子電池監(jiān)測和保護芯片L99963E系統(tǒng)框圖

（圖源：STMicroelectronics）

傳統(tǒng)BMS有三個主要子系統(tǒng)：電池管理單元（BMU）、電池接線盒（BJB）和電池監(jiān)控單元（CSU）。BMU包含主控MCU，負責電池組的充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）計算。SoC和SoH的精確測量是降低成本并準確表示電池壽命和續(xù)航里程的關鍵。此外，電池組電壓和電流監(jiān)測、絕緣電阻測量以及接觸器和熱熔絲驅動器所需的大部分電子設備都在BMU上。CSU包含用于電池電壓和溫度監(jiān)控的電子設備，而BJB主要是一個機電箱，分流器、接觸器和熱熔斷器都在這個箱子里。

#03 NXP HVBMS

NXP的高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）參考設計采用ASIL D架構，由電池管理單元（BMU）、電芯監(jiān)測單元（CMU）和電池接線盒（BJB）3個模塊組成。RD-HVBMSCTBUN是該公司HVBMS的參考設計套件，是一個完整的硬件解決方案。

其中，BMU是電池管理系統(tǒng)的控制部分，它處理來自其他BMS模塊的各種數(shù)據(jù)，做出確保BMS安全的決策，同時與整車控制器（VCU）通信，并驅動將電池連接到汽車系統(tǒng)的接觸器。

RD-K344BMU是用于開發(fā)電池管理單元（BMU）的參考設計，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型。該開發(fā)板主要由NXP的S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等器件構成。

RD33775ACNTEVB是支持電子傳輸協(xié)議鏈路（ETPL）通信的集中式單體電池監(jiān)控單元（CMU）參考設計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的四個MC33775A模擬前端（AFE）。MC33775A是14通道鋰離子電池控制器（BCC），4個MC33775A最多能容納56個單體電池，可通過向菊花鏈添加更多CMU進行擴展。

RD772BJBTPLEVB是NXP HVBMS解決方案中的電池接線盒（BJB）參考設計，這個評估板包含兩個MC33772C電池傳感器，可用于冗余的高壓和電流測量，并進行隔離測量。根據(jù)NXP官網(wǎng)的信息，上述產(chǎn)品目前僅對部分簽署了保密協(xié)議（NDA）的客戶開放。

圖3：NXP電池管理系統(tǒng)解決方案參考平臺框圖

（圖源：NXP）

電動汽車BMS設計正在走向無線化

在電動汽車中，電池管理系統(tǒng)（BMS）是確保車輛安全、續(xù)航里程和可靠性的關鍵系統(tǒng)，如今這一系統(tǒng)將迎來新一波創(chuàng)新浪潮。傳統(tǒng)的BMS架構需要在BMU和BJB之間鋪設許多電纜，不僅會占用電池組中的寶貴空間，還增加了汽車的重量。得益于一些主要半導體公司的一系列新產(chǎn)品，當今先進的電動汽車BMS設計正在走向無線化。

向無線BMS技術轉變的汽車BMS將帶來多項優(yōu)勢：

減輕重量

電動汽車電池系統(tǒng)中的電纜和線束非常笨重，移除這些電纜可有效減輕總重量，并為電池艙中的其他系統(tǒng)提供更多空間。去除電纜后，系統(tǒng)中的許多配件和連接器也將一同被移除，成本也會相應降低。

消減電纜設計成本

有線BMS中使用的電纜是需要定制，并且價格昂貴。通常，每種型號的車輛都需要重新設計，每年還要對電池系統(tǒng)進行重大更改。采用全無線技術可有效降低這些成本。

組件易于模塊化

因為無線BMS不需要專有的電纜組件和線束，所以剩余的組件和系統(tǒng)可以高度模塊化，第三方供應商也更容易參與到設計中來。

維護更簡單

移除電纜后電池的檢查和更換更方便。

綜合來看，電動汽車電池管理系統(tǒng)的無線化擺脫了CAN總線和SPI電纜帶來的困擾。采用無線架構后，用于連接電池、監(jiān)視器、主機控制器、外圍設備和任何外部系統(tǒng)的傳統(tǒng)電纜在很大程度上都將被無線通信所取代。

如果輸出接口在IEEE 802.3ch汽車以太網(wǎng)中實現(xiàn)，則可以進一步減少電纜數(shù)量、降低線束重量，延遲也會縮短。無線BMS設計是在ISM頻帶（2.4GHz）中工作的短距離射頻（RF）系統(tǒng)。作為一種短距無線系統(tǒng)，用于電動汽車的無線BMS設計與其他無線網(wǎng)絡系統(tǒng)一樣也會面臨很多設計挑戰(zhàn)。

比如，系統(tǒng)中的監(jiān)控單元和主機控制器需要在車輛啟動期間形成初始網(wǎng)絡，并且這一過程需要非?？焖俚赝瓿?。延遲、多徑誤差和輻射噪聲等問題會使這一過程更加困難。此外，這些系統(tǒng)最好是低功耗的，以確保運行期間的低溫和長期可靠性。

電動汽車BMS行業(yè)的機遇

從市場規(guī)模來看，全球電池電動汽車市場2020年底達到797萬輛，預計到2030年底將達到9,510萬輛。挪威道路聯(lián)合會2023年1月2日發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，這個北歐國家2022年售出的新乘用車中，將近八成是純電動汽車，刷新了該國的歷史紀錄。挪威人口約550萬，去年共售出138,265輛純電動車，占新乘用車總銷量的79.3%，大幅超過2021年的64.5%。

中國是全球電動汽車市場的重要參與者，政府不斷鼓勵人們使用電動汽車，并計劃到2040年全面禁止柴油和汽油車輛。從工信部發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，2022年1－9月，中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成471.7萬輛和456.7萬輛，同比分別增長1.2倍和1.1倍，市場占有率達到23.5%。其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成368.2萬輛和357.8萬輛，同比分別增長1.0倍和97.9%；插電式混合動力汽車產(chǎn)銷分別完成103.3萬輛和98.7萬輛，同比分別增長1.9倍和1.7倍。

圖4：2017年-2022年國內月度新能源汽車銷量及同比變化情況（圖源：工信部官網(wǎng)）

從市場價值來看，根據(jù)Beyond Market Insights的數(shù)據(jù)，2021全球電動汽車市場的規(guī)模約為1,785億美元，預計到2030年將增長至約11,088億美元，2022年至2030年間的復合年增長率約為22.5%?？紤]到每臺車都會配備一套BMS系統(tǒng)，因此，BMS市場將是一個潛力巨大的市場。

根據(jù)Meticulous Market Research的預測，電動汽車BMS市場預計到2029年將達到373億美元，2022年至2029年的復合年增長率為30.5%，該市場的增長主要歸因于電動汽車的日益普及。根據(jù)配置，2022年，96至132節(jié)電池組預計將占據(jù)電動汽車電池管理系統(tǒng)市場的最大份額，HVBMS也將成為增長最快的市場。然而，缺乏開發(fā)BMS的標準化法規(guī)，以及系統(tǒng)成本高昂，也會對電動汽車BMS市場的增長帶來不利影響。