新能源汽車(chē)最核心和最貴的兩個(gè)器件是 IGBT 和電芯，圍繞這兩個(gè)器件其實(shí)在三電系統檢測和保護中芯片起到了很大的作用，隨著(zhù)汽車(chē)內電壓從 12V、48V、200V+、400V+最后到 800V，監測和保護的芯片電路的功能重要性也越來(lái)越重要。當然這部分成本在 BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。
01、不同的電壓組合
從整體的演進(jìn)路線(xiàn)，目前主要汽車(chē)里面由單一的電壓等級 12V 開(kāi)始逐步往多個(gè)電壓轉變，主要發(fā)展方向為：
1）混合動(dòng)力 12V+48V：采用兩顆電池，一般是 12VAGM 電池和 48V 鋰電池作為搭配。
2）混合動(dòng)力 12V+HV：采用兩顆電池，12VAGM 鉛酸電池和高壓鋰電池作為組合
3）電氣化：主要包含 12V+HV、12V+48V+12V 和 HV+48V（目前這種設計并不存在，只是演進(jìn)的方向） 這里值得一提的是 48V 電源供電設計，48V 電壓平臺通常用于為需要更高功率的負載供電，連接到 48 V 電壓平臺上的 ECU 都需要高效，高功率密度且能夠承受 ISO 21780 中規定的工作電壓要求的電源管理設備�？梢允褂媒祲悍�壓器，三相柵極驅動(dòng)器和電池管理系統之類(lèi)的產(chǎn)品，配合電流和電壓檢測放大器產(chǎn)品組合。
02、電池管理系統
電池管理系統的主要任務(wù)是通過(guò)保證電池系統的設計性能，從硬件結構上,電池管理系統由傳感器、控制器、執行器、高低壓線(xiàn)束等組成，從硬件結構上來(lái)看，它有以下的功能模塊：
1）電池參數檢測（傳感器層）：包括電池系統總電壓、總電流、單體電池電壓檢測、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等。
2）接觸器控制與電池安全保護（執行層）：電池管理系統具備驅動(dòng)接觸器的電路和診斷接觸器各個(gè)高壓節點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)，接觸器在實(shí)際情況下是集成在智能斷開(kāi)盒中的。
3）MCU 計算核心：這部分是整個(gè)電池管理系統的算法，這部分也是電池系統作為一個(gè)整車(chē)控制器實(shí)現既定的功能安全目標最為基礎的電路結構。
4）均衡電路：整個(gè)電池系統的不一致性直接影響電池系統地實(shí)際可用容量，這個(gè)不一致性會(huì )隨著(zhù)時(shí)間進(jìn)行累積。目前隨著(zhù)電池進(jìn)入 200Ah 的時(shí)代，均衡的作用和能力進(jìn)入一個(gè)微妙的時(shí)代。
5）電源管理電路和 EMC 抑制：電池管理系統從電池模組和 12V 電池上驅電，通過(guò)合理的保護電路來(lái)管控不同節點(diǎn)的電源情況。
6）網(wǎng)絡(luò )通訊和喚醒電路：電池管理系統是需要與整車(chē)動(dòng)力總成、車(chē)身網(wǎng)絡(luò )等整車(chē)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信，也需要進(jìn)行對應的網(wǎng)絡(luò )管理和喚醒休眠管理。
7）信息存儲單元：用于存儲關(guān)鍵數據，比如在整個(gè)生命周期內客戶(hù)使用的情況，這部分核心內容是記錄電池系統超出預期的濫用數據的時(shí)間和頻次。
隨著(zhù)域控制器的引入，BMS 內存儲信息，主要是以 FOTA 的要求為主，存數據倒不是重要的事情。 如下圖所示，想要完成一個(gè)大的完整的電池管理系統在一塊電路板上面，其硬件和軟件的復雜度，特別是高低壓混合的情況比較突出，外圍的高低壓線(xiàn)束使得整個(gè)電池管理系統在硬件設計上難以實(shí)現。
圖 1 電池管理系統的硬件基本框架
圖 2 某個(gè)典型的 BMS 電路，后續會(huì )拆解分析
03、電池系統和充電里面的芯片進(jìn)化特點(diǎn)
如何提高電池管理系統的可靠性？
電池的 AFE 檢測芯片，以德州儀器 (TI) BQ79606A-Q1 為例，主要的設計方向是在芯片層面提高芯片的功能安全等級和可靠性。高度集成的 BQ79606A-Q1 可精確監控溫度和電壓水平，有助于最大限度地延長(cháng)電池使用壽命和上路時(shí)間。此外，BQ79606A-Q1 電池監控器具有安全狀態(tài)通信功能，可幫助系統設計人員滿(mǎn)足汽車(chē)安全完整性等級 D（ASIL-D）的要求。這是 ISO 26262 道路車(chē)輛標準定義的最高功能安全目標。 目前 AFE 方面，在電壓檢測，溫度檢測和通訊功能達到汽車(chē)安全完整性等級 ASIL-D。 在通信方面，AFE 占據主要的功能，從之前的 CAN 大部分企業(yè)都逐步過(guò)渡到的菊花鏈的通信方式，在菊花鏈的環(huán)體系結構，即使在一端通訊電纜斷開(kāi)的情況下,也可以通過(guò)反向通訊保證所有電池模組的通訊。
圖 3 菊花鏈通信方式
在設計方面中，無(wú)需外部齊納二極管也可實(shí)現強大的熱插拔性能。目前電池系統需要優(yōu)化低溫下的充電 / 放電性能，并確保高溫下電池保持在安全的工作區域內。為了應用適當的熱管理策略，有必要在電池 / 電池組水平上進(jìn)行準確的電壓和溫度感測（BQ79606A-Q1）。這些可能需要在冷啟動(dòng)條件下進(jìn)行預熱，并在較高溫度下進(jìn)行冷卻。
小結：這幾年 BMS 的發(fā)展，主要還是在 AFE 芯片的優(yōu)化上，本身 BMS 本體的功能發(fā)展還是比較有限的，隨著(zhù) BMS 和域控制器的迭代發(fā)展，這方面的特點(diǎn)會(huì )越來(lái)越明顯。作為模擬芯片老大，TI 近些年不斷推出相關(guān)的車(chē)規級產(chǎn)品和參考設計，比如上文提到的 BQ79606A-Q1 和基于該產(chǎn)品的可擴展的 6s 至 96s 鋰電池監控演示器參考設計，并且還在不斷研發(fā)新一代產(chǎn)品，加速這個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng )新迭代過(guò)程。另外說(shuō)個(gè)題外話(huà)， 最近看到了許多 TI 針對于汽車(chē)市場(chǎng)的宣傳活動(dòng)，可見(jiàn)其對汽車(chē)領(lǐng)域的重視。 |
