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电池管理系统(BMS)实现形式及大厂芯片性能分析

海明观察 来源:电子发烧友网 作者:李诚 2021-10-09 08:33 次阅读
电子发烧友网报道(文/李诚)目前国内碳中和已被提上日程,全球已经有超过120个国家提出了碳中和的目标。碳中和的提出为电动汽车市场提供了一个新的发展契机。电动汽车市场大热,据Canalys预测,2021年第一、第二季度全球电动汽车(EV)销量为260万辆,同比增长160%。

在电动汽车中电池为主要核心部分,电池的性能直接决定了充电的速度、车辆续航问题和安全性的问题。为了解决这些问题,提高电池效率和延长电池使用寿命,车企在电动汽车中加入了BMS技术,对电池数据实时监控

BMS在电动汽车中起到什么作用及实现形式

BMS系统子在电动汽车中主要起到对电池充、放电的管理作用。BMS系统可进行电池状态分析、电量管理、电池信息管理、电池状态监测、电池保护。通过系统性地管理,电池可避免电池过充、过放、温度过高等情况出现,提高电池性能和使用寿命。
(图源:恒润科技)

BMS系统主要以集中式和分布式两种形式实现。集中式BMS是通过一条总线的形式对电池组数据进行采集监控,集中式BMS分为高压区和低压区,高压区对单体电池数据采集,低压区主要是集成了供电、通信等线路。集中式BMS系统具有低成本、拓扑简单等特性,一般用于低电压、小容量的电池中,如机器人、小型两轮电动车等。
(图源:国新动力)

分布式BMS是进行模块化、分级式管理的。每组电池都会与LECU匹配,并对电池单体进行电压、温度等数据采集,判断电池的状态。高压区负责监测电池总压、母线总压、绝缘电阻的状态。LECU和高压区采集到的数据经分析后进入BMU汇总传入BSE。最终由BSE作出判断。

风口之下免不了竞争,电动汽车发展势头迅猛,多家芯片厂商相继推出BMS芯片,为车企提供更多的选择。

TI高精度电池监控、平衡、保护器

汽车电气化呈不可逆转之势快速发展,BMS系统成为首要核心问题。TI在电动汽车BMS领域颇有建树,先后发布了符合ASIL D标准的有线BMS和无线BMS解决方案,领先业界。

(BQ79614-Q1电路拓扑 图源:TI)

BQ79614-Q1是一款可应用与混合动力、纯电动汽车BMS模块高精度的电池监控器、平衡器和保护器,可对电池温度实时监控,为避免过热的情况出现,能自主进行暂停和启动操作。该芯片工作电压为12V,可在128μS内迅速为14块电池进行高精度地电压监测。BQ79614-Q1芯片内部集成了前端滤波器和后置ADC低通滤波器。前端滤波器是为了降低成本,能够在电池输入电路上使用简单、低压的差分RC滤波器。ADC低通滤波器是为了对滤波后的直流电压进行监测,方便计算出电池的电荷状态。在该芯片可用于外部热敏电阻测量BQ79614-Q1在通信方面可与BQ7600器件相连或直接通过UART接口MCU完成通信。在通信线线路异常的情况下,MCU可以通过隔离式差分菊花链与电池组直接通信。

ST 14S 高精度、快速速电池监控保护芯片

意法半导体(STMicroelectronics,简称ST),引领半导体市场多年,芯片应用横跨多个领域,也成为了汽车芯片的主要供应商。在汽车领域,为满足市场及设计需求,推出了高性能、高能效的32位车规级MC,高精度、低能耗的VIPower智能开关,多路、高精度的BMS IC和各类保护器件。ST在汽车电子领域可提供全方位的应用产品、技术支持和解决方案。
(L9963框架图 图源:ST官网)

L9963是一款由ST推出的汽车BMS IC,该芯片具有高精度和高测量速度的特性,其精度误差仅为±2mV,4 ms内可完成96个单元的数据读取,赢得业界内高度认可。在BMS中最值得关注的是IC的精度和测量速度,高精度能够更精确地读取各单元的状态,高测量速度解决的主要是时效问题,提高检测精度,实时反应电池状态。

L9963可在48V或更高电压的电网中应用,可监控4~14个串联电池单元及7个外部NTC。通过SPI和隔离接口进行数据传输,另一方面可通过菊花链方式对1~31个设备进行连接,整个数据转换延迟小于4微秒。L9963菊花链的通信串行总线带宽为2.66Mbps,极大地降低了数据采样延迟的问题,其中通过菊花链与31个L9963连接,在16毫秒内可完成434个单元的数据读取工作。该芯片还集成了9 GPIO外部通信接口,实现与外部通信并进行外部监测。冗余的电路功能是这款芯片的特色,也是对行车安全的一种保护。L9963冗余功能可对内部的ADC进行交叉检测,当其中一个ADC发生故障时,与其最近的ADC将直接接管发生故障的ADC避免行车事故的发生。

ST在L9963的基础上还推出了搭配SPC58 Chorus MCU使用的三款评估板,实现评估板更接近于最终研究产品,加快开发人员的研究进度。

ADI 12路电池监视器

据ADI官网显示,早在2008年就推出了第一款集成式高压电池堆栈监控器,至今已经迭代更新到第四代,第五代产品还在研发阶段。
(LTC6811-1框架图 图源:ADI)

LTC6811-1是ADI的第四代BMS IC,是一款电池组监视器,最高可对12个串联电池进行电压检测,测量精度比ST L9963更高,总测量误差小于1.2mV,完成12节的电池检测仅需290μs。LTC6811-1可将多节电池串联起来,因此该芯片可在高电压的电池串中完成电池状态实时监测。该芯片给还具有ISOSPI接口,可实现与器件之间高速的远程通信。LTC6811-1能将12组电池通过菊花链连接,实现多通道通信的功能,监测电池状态,并根据电池当前状态进行暂停和启动操作,该芯片采用隔离式电源供电。

总结

在汽车中BMS系统就相当于车辆与动能管理系统连接的桥梁,BMS IC性能对电动汽车的安全性、电池使用寿命、行驶里程都有影响。采样精度更高、速度更快的BMS系统才能将电池利用率最大化,提高稳定性和可靠性。
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