面对800V充电电压,电动汽车需要什么样的高压BMS架构

【导读】电动汽车高压电池管理系统 (BMS) 技术正在快速发展。设计人员正在测试各种新架构，以增加单次充电的里程，并缩短充电时间。本白皮书对使用更高电压的结果进行了评估，评估涉及多个组件的更严格要求、不断增加的系统复杂性及其对功能安全的影响。

面临这些挑战，原始设备制造商 (OEM) 开始探索可切换的新型2 x 400V / 800V架构。它可实现快速充电，并复用现有系统解决方案 (如牵引逆变器)，为BMS开发人员和最终用户提供两全其美的解决方案。

使用800V架构的动机

通往快速充电之路

长久以来，有限的里程和较长的充电时间一直被认为是电动汽车 (EV) 普及过程中的两大挑战。新型电池化学材料和智能电池管理系统在扩大行驶里程方面取得了很大成效。然而，充电速度仍是个问题，尤其是在长途旅行或时间紧迫的时候。

直流快速充电器只需30至45分钟即可将电池充至80%的电量。尽管使用更高的功率可加快车辆的充电速度，但这也会产生大量的热量。当电能通过电缆从充电桩进入汽车电池时，内置电阻在高电流导通下会温度上升。因此，对于典型的400V EV电池，充电速率受多个因素的限制，比如传输充电电流所需的电缆横截面积或电池单元的温度。一些直流快速充电桩会对电缆进行液体冷却，以控制由于I2R功耗导致的温度上升。因此，通过增加电压而非电流来提高输出功率似乎很合理。

高功率输出

保时捷Taycan EV是第一款由大型汽车厂商制造的量产级高压汽车，其系统电压为800V，而非常见的400V。保时捷在发布这款汽车时表示，将电池电压增加一倍可实现稳定的高性能，缩短充电时间，并减少电缆的重量和安装空间。350kW三级超快速充电桩可在短短的15分钟内将电池充至80%的电量。然而，800V EV设计要求对所有电气系统进行新的考量，同时对与电池管理系统明显相关的几个组件提出了更严格的要求。

使用更高电压的结果

更多接触器，更高规格

与内燃机车中的点火开关功能一样，主要接触器会在车辆停止时，对电池和牵引逆变器进行电气隔离，并在车辆启动时将两者重新连接起来。独立接触器可在电池与直流链路和充电器总线之间建立连接和断开连接，一条总线位于正供电轨上，另一条位于负供电轨上。使用额外的直流充电接触器， 以在直流充电桩和电池之间建立连接，从而实现了直流快速充电。还有一些适用于车厢电气加热器以及电池加热器的辅助接触器，以便优化寒冷天气条件下的效率。

使用更高电压很有可能产生损坏电弧。相比传统400V架构， 800V架构需要满足更严格的隔离要求，而这会提高解决方案成本。

连接器爬电距离和电气间隙

所有互连系统都需要满足安全、高效和可靠性要求。电池管理系统还必须紧凑轻巧。然而，电压电平越高，连接器引脚之间的爬电距离和电气间隙就要越大，以确保不存在由电弧引起的短路故障风险。尽管各连接器制造商已克服了这些问题，但成本却高于400V架构中使用的连接器，从而可能影响最终解决方案的成本。

传动系统组件

牵引逆变器模块中的组件额定值取决于最大电池电压。如果最大电池电压上升至800V，适用的额定组件的数量就会大大减少，而且其售价可能会很高。对于400V电池，由于利用了规模经济的成本优势，组件的选择范围比较广，牵引逆变器模块的价格也更合理。

不同的电池架构有其固有的优点和缺点。因此，汽车OEM需要分析并决定哪种架构最适合其生产模型，同时确保系统的价格竞争力。应对此挑战的一种创新型解决方案就是使用两个独立的400V电池。它们在充电时串联连接 (总共800V)，从而显著缩短充电时间，并在行驶时并联连接 (400V)。这确保了牵引逆变器模块的价格竞争力，并可在不同车型中复用。

提高复杂性和功能安全性

事实上，将电池电压从400V增加至800V不可避免地要增加系统中的电池感测器件，即电池单元控制器 (BCC)。由于失效率 (FIT) 概率的提高，感测器件的数量增加会转变为对功能安全的挑战。然而，ISO 26262:2018标准针对BMS解决方案建议的最大残余FIT并未改变。

BCC只获得总系统FIT的一定次数，所以不能大幅增加。如果增加了它的FIT预算，则会影响系统其他部分的预算，从而给其他领域带来更大挑战，并且这只是将问题从一个领域转移到另一个领域。

充电电压从400V切换至800V

解决上述大多数挑战的一个创新型解决方案就是可切换架构，该架构可在电池充电时，将电压从原来的400V转变为800V。电池组由2个400V电池组成，这两个电池在日常使用时并联连接，以便使用标准400V传动系统组件，如逆变器和车载充电器，同时电池容量和里程不会受到影响。在充电期间，BMS将这两个电池切换至串联配置，从而将电压提升至 800V，同时降低电流，缩短充电时间。恩智浦研发的器件和解决方案，现已准备好为OEM开发这些可切换架构提供支持，并应对这些架构带来的新挑战。

HVBMS 800V简要功能框图

通用硬件和软件支持可扩展性

S32K3 BMS处理器

恩智浦S32K3系列控制器支持400V和800V架构以及新型可切换架构。这款高度可扩展的器件基于工作频率达240MHz的Arm®️ Cortex®️-M7内核，采用可扩展内存空间，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等级，以及分别符合ISO 26262功能安全标准和ISO 21434网络安全标准的先进功能安全硬件和软件IP以及硬件和软件安全特性。

本系列中的器件使用同类型外设和引脚输出，允许开发人员在一个芯片系列中或在S32K3产品组合内的其他处理器之间轻松迁移，以利用更多内存或功能集成，从而最大限度地复 用硬件和软件，缩短产品上市时间。此外，恩智浦还为不同开发阶段提供易于使用的支持软件、应用专用的软件以及由 广泛的第三方生态系统提供的各种开发工具。

MC33665 BMS网关

设计人员可结合使用恩智浦S32K3 BMS处理器与MC33665 BMS收发器/网关IC，创建更灵活的高效架构。与目前使用的专有通信解决方案相比，该器件还允许将电池内部的通信标准化为CAN FD通信。

通过标准化CAN FD通信，OEM可使用单个通用型电池管理单元 (BMU)，而不是多个自定义BMU，从而简化组装，降低物料 (BOM) 成本，并显著缩短新电池型号的上市时间。通过域控制器以及与云计算和数字孪生模型的兼容性，这种电池平台还可以轻松地对电池软件进行无线远程 (OTA) 升级。

MC33665可实现两个主要功能:收发器和网关。该器件安装在BMU上，可将与电池接线盒(BJB) 和电池芯监控单元 (CMU) 的通信捆绑在一起。由于有四条ETPL线路，该器件可以建立多个菊花链，以便连接多个CMU板，并处理所有通信和消息路由，从而减少MCU的计算电力负荷。该功能可轻松在各 自功能模块中同步执行电池组电流和电池电压测量，从而有 助于确定电池芯和电池组的阻抗。此外，环回功能可提高电 池解决方案内部通信电路的稳健性。

方案：电池架构

该软件定义的解决方案断开了应用层软件与物理模块或电池芯——电池组配置的连接。利用恩智浦MC3377x系列的可扩展BCC产品组合，可满足6~18个电池芯的应用要求，同时保证功能安全性和软件兼容性。这种灵活性可满足汽车行业的不同市场需求。

功能安全性

恩智浦开发出了FIT概率更低的新器件，以应对功能安全挑战。通过实现新的功能安全概念、检测方法和安全架构，恩智浦提高了器件的故障模式的诊断覆盖率，从而将残余FIT降低至可接受水平，以支持电压更高的解决方案。

解决电磁兼容 (EMC) 挑战

为解决更高电压系统中的EMC挑战，以及800V适用的连接器的高成本问题，我们需要探索新的通信路径。这些新路径应具有软件向后兼容性，方便从当前的先进解决方案进行转换。

结论

2 x 400V / 800V可切换电池架构为OEM提供了两全其美的解决方案：既保证了更高的里程，又实现了快速充电，同时不会产生额外的传动系统组件成本。通过提供400V或800V的解决方案，以及利用规模经济的成本优势，使用该架构的OEM还可以增加其品牌产品的灵活性。

恩智浦作为一级供应商的完整系统提供商，可提供完整可扩展的芯片组解决方案，支持多种电池架构的BMS功能。恩智浦提供全面的高压电池管理系统 (HVBMS) 参考设计，该设计完全遵循ISO 26262:2018汽车功能安全标准的V模型，可帮助开发人员应对新架构方案所带来的挑战。

审核编辑：汤梓红