只有跳出專(zhuān)用IC方案 電池管理系統創(chuàng )新才可期待

　　電池管理專(zhuān)用IC的出現和發(fā)展是和鋰電池應用過(guò)程中遇到的種種問(wèn)題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰電池的過(guò)充過(guò)放而設計出了單節電池的充放電保護芯片，后來(lái)在鋰電池多節串聯(lián)應用中又發(fā)展出應用于多串的芯片，這時(shí)候就成為了電池管理芯片，主要是對電池組中的每節電池電壓數據進(jìn)行采集。再以后為了應對電池不一致的問(wèn)題，進(jìn)一步集成了功率開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)功能，這就是帶有均衡功能的電池管理IC。

　　客觀(guān)的講，電池管理專(zhuān)用IC成就了早期的BMS產(chǎn)業(yè)，也引領(lǐng)了BMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因為有了專(zhuān)用芯片，BMS的設計才能大大簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高，但是同時(shí)，我們也要看到專(zhuān)用芯片的局限性。前面說(shuō)過(guò)，電池管理專(zhuān)用芯片也是隨著(zhù)鋰電池的應用發(fā)展起來(lái)的，而早期的鋰電池多用于小型電子設備，后來(lái)在筆記本電腦中得到廣泛使用，至此電池管理專(zhuān)用芯片一直都是為低串數、小型設備服務(wù)。

　　當鋰電池組應用到電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，情況開(kāi)始有了變化。電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池組是高串數、大容量的電池串聯(lián)使用，動(dòng)輒幾十串甚至上百串的數量已經(jīng)不是筆記本電腦中幾串這種個(gè)位數級別的串聯(lián)使用可以相比的。專(zhuān)用IC也沒(méi)有閑著(zhù)，迅速地推出了更多串數應用的產(chǎn)品，但是考慮到電壓和應用復雜度一般都不超過(guò)20串。使用這些IC設計的BMS的典型架構是集中式架構。BMS和電池組之間只有連線(xiàn)，連線(xiàn)數量取決于電池組串數，在BMS電路板上的電池管理專(zhuān)用芯片數量也取決于電池組串數。

　　從示意圖中可以看出，集中式BMS產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，成本低。在電池組串數較低時(shí)，比如說(shuō)10來(lái)串，連線(xiàn)還算不太復雜，而且在電池組容量小的情況下，BMS安裝位置可以靠近整個(gè)電池組，縮短連線(xiàn)距離，電池組----BMS，整個(gè)能量系統比較緊湊一體，在電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)上比較適合。但是在電動(dòng)汽車(chē)鋰電池組上應用時(shí)，因為需要電池容量大，成組后物理尺寸比較大，連線(xiàn)會(huì )較長(cháng)，而且長(cháng)短不一，再加上串數眾多，連線(xiàn)數量也就很多，幾十條甚至上百條線(xiàn)的排布非常麻煩。

　　還有一個(gè)重要的細節就是這些連線(xiàn)的順序是需要固定的，因為專(zhuān)用芯片的管腳已經(jīng)事先定義了電池串聯(lián)順序，所以每串電池上的連線(xiàn)要接入到BMS指定的接插件腳位。雖然在BMS設計工作上這并沒(méi)有什么困難，但是在BMS與電池組的實(shí)際連接工作中卻是一個(gè)不小的麻煩事。一般線(xiàn)都是一端和電池連接在一起，另一端通過(guò)插件接入BMS，與電池連接這些工作現在都是人工完成，將來(lái)也很難由機器完成，連接在每串電池每個(gè)電極上的線(xiàn)都不能出任何失誤，這整個(gè)的工作量大小可想而知。通過(guò)集中式架構的分析，我們看到，專(zhuān)用IC比較適用于小容量、低串數的場(chǎng)合，在大容量、高串數的場(chǎng)合會(huì )有連線(xiàn)復雜，需要一一對應的缺點(diǎn)。

　　再看均衡的問(wèn)題，集中式架構比較適合完成被動(dòng)均衡，電路設計上不增加復雜度，現在的主流專(zhuān)用IC也都有此功能。但是電流能力有限，百毫安級別，在電池組使用初期一致性差別不大的情況下問(wèn)題倒也不大，在中后期一致性差別較大的情況下就會(huì )有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險。如果要加入主動(dòng)均衡功能，現有架構基本沒(méi)有任何幫助，需要額外的線(xiàn)束和開(kāi)關(guān)矩陣，電路復雜程度急劇上升。開(kāi)關(guān)矩陣需要大量的電子開(kāi)關(guān)，MOSFET，但是因為數量多，其控制電路相當復雜，有企業(yè)用繼電器代替，簡(jiǎn)化了設計，但是帶來(lái)了繼電器作為一個(gè)機械開(kāi)關(guān)的壽命問(wèn)題和誤動(dòng)作風(fēng)險。

　　當然也可以通過(guò)降低繼電器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)延長(cháng)其壽命，通過(guò)誤動(dòng)作檢查來(lái)避開(kāi)風(fēng)險，但是這樣做始終是無(wú)法保證器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間，更何況繼電器的數量也是相當多，不止一個(gè)。這是一種不得已而為之的妥協(xié)方案，而不是解決主動(dòng)均衡開(kāi)關(guān)矩陣難題的正解。

　　為了解決連線(xiàn)復雜的難題，出現了分布式架構的BMS。這種BMS是將信息采集傳遞的功能與其他功能獨立分離，整個(gè)系統分成了CSC（單體管理單元）、BMU（電池管理控制器），CSC安裝在單串電池上，負責本串電池信息采集和傳遞，每串電池的信息通過(guò)總線(xiàn)傳入BMU。這種架構通過(guò)總線(xiàn)解決了線(xiàn)束復雜的難題，而且安裝相對簡(jiǎn)單，效率高，柔性好，適合不同電池組規模大小。分布式的BMS可以不用電池管理專(zhuān)用IC，是拋開(kāi)專(zhuān)用IC進(jìn)行創(chuàng )新設計的一個(gè)相對成功的思路。

　　不足的是，分布式架構也沒(méi)有解決一一對應的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題，CSC同樣需要設置地址（雖然可以在安裝后設置，比集中式架構在安裝前就需要確定要容易實(shí)現，出錯概率?。?，主動(dòng)均衡仍然需要額外的線(xiàn)束和開(kāi)關(guān)矩陣。而且因為每個(gè)CSC上都需要MCU和帶有隔離的通訊總線(xiàn)，價(jià)格要高于集中式架構BMS，尤其在低串數上優(yōu)勢不大。

　　分布式的思路給了集中式的一個(gè)很好的提示，這就是通過(guò)總線(xiàn)解決線(xiàn)束問(wèn)題，專(zhuān)用IC也看到了其中的好處，迅速推出了帶有無(wú)需隔離的通訊總線(xiàn)，進(jìn)一步完善了自己。半分布式架構，實(shí)際上是二級集中式的架構成為了BMS主流設計之一。這就是將整個(gè)電池組分為幾個(gè)模組，每個(gè)模組使用采用專(zhuān)用芯片設計成的一個(gè)小BMS，然后通過(guò)總線(xiàn)連接到一個(gè)最終的控制器上。半分布式架構集中了分布式的線(xiàn)束少的優(yōu)點(diǎn)和集中式的設計簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是遺憾的是，以前架構沒(méi)能解決的問(wèn)題也跟著(zhù)繼承下來(lái)，一一對應的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題仍然存在。

　　追本溯源，一一對應的關(guān)系和主動(dòng)均衡中開(kāi)關(guān)矩陣的難題都來(lái)自于電池管理專(zhuān)用芯片的先天局限，盡管電池管理專(zhuān)用芯片也在不斷進(jìn)化。因為是多串應用，在專(zhuān)用IC上，每個(gè)電池檢測通道必須事先就要確定編號，事后再得知每個(gè)通道的順序無(wú)法想象，目前看任何IC都無(wú)法設計出這么一個(gè)功能。同樣，開(kāi)關(guān)矩陣也是來(lái)源于多串應用，又因為涉及到功率部分，這更是IC的天然弱勢，現有架構對主動(dòng)均衡無(wú)能為力的原因就在于此。所以，如果是低串數，無(wú)需主動(dòng)均衡功能的應用，采用專(zhuān)用IC方案是可行的，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)；在電動(dòng)汽車(chē)級別的使用中，尤其是要完成主動(dòng)均衡功能，采用專(zhuān)用IC來(lái)設計BMS還是比較吃力的。

　　從2015年的產(chǎn)量上看，電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)順利完成了產(chǎn)業(yè)的導入期，后面就是發(fā)展期。BMS急需解決痼疾，市場(chǎng)呼喚新品，只有跳出專(zhuān)用IC方案，BMS創(chuàng )新方可期待。