電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統技術(shù)趨勢及方案精選

電動(dòng)車(chē)未來(lái)將以鋰電池為主要動(dòng)力驅動(dòng)來(lái)源，主因在于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢，所以性能較為穩定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠(chǎng)時(shí)電量即存在些微差異，且隨著(zhù)操作環(huán)境、老化等因素，電池間不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命也都將變差，再加上過(guò)充或過(guò)放等情況，嚴重時(shí)可能導致起火燃燒等安全問(wèn)題。

電池管理系統BMS的重要性不言而喻，BMS是動(dòng)力電池組的核心技術(shù)，也是整車(chē)企業(yè)最為關(guān)注的環(huán)節。

一、技術(shù)及趨勢

BMS屬于電池包一部分，電池包是新能源汽車(chē)核心能量源，為整車(chē)提供驅動(dòng)電能，它主要通過(guò)金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò )構成電池包主體。模塊化的結構設計實(shí)現了電芯的集成，通過(guò)熱管理設計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線(xiàn)束實(shí)現了控制系統對電池的安全保護及連接路徑;通過(guò)BMS實(shí)現對電芯的管理，以及與整車(chē)的通訊及信息交換。

BMS主要作用包括：估測電池的荷電狀態(tài)，檢測電池的使用狀態(tài)，管控電池的循環(huán)壽命。在充電過(guò)程中對電池的熱管理，啟停鋰電池的冷卻系統，同時(shí)也管理單體電池之間的均衡，防止單體電池過(guò)充過(guò)放產(chǎn)生危險。另外監測整個(gè)電池的健康工作狀態(tài)。

圖表1 國內外主流BMS供應商的技術(shù)參數

資料來(lái)源：一覽眾咨詢(xún)整理

目前電池管理系統有主動(dòng)式均衡和被動(dòng)式均衡兩種管理模式。兩種管理模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，所采用的方式普遍為采集單體電池電壓，串聯(lián)電流，以及溫度以及電池組的電壓，然后將這些信號傳給運算模塊進(jìn)行處理發(fā)出指令，最后將整個(gè)處理的信息指令通過(guò)CAN通訊系統傳送給汽車(chē)中央控制單元或整車(chē)VMS系統。

二、國內車(chē)用BMS廠(chǎng)家淺析

國內主流車(chē)用BMS廠(chǎng)家都有被動(dòng)均衡技術(shù)，而且其中絕大部分都有主動(dòng)均衡技術(shù)儲備。在廠(chǎng)家給的配置單上，主動(dòng)均衡是一個(gè)“選配”功能。被動(dòng)均衡的BMS裝機量較大，占據新能源汽車(chē)市場(chǎng)較高的份額，遠遠高于主動(dòng)均衡BMS的市場(chǎng)份額。國內的新能源汽車(chē)主要是中低端產(chǎn)品，考慮到成本及配置需求方面，被動(dòng)均衡相對較易接受。隨著(zhù)新能源汽車(chē)產(chǎn)品的向高端發(fā)展，對BMS的要求也越來(lái)越高，主動(dòng)均衡技術(shù)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢。

在軟件方面其最核心的技術(shù)在于SOC的估測算法，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的電荷狀態(tài)估測是BMS控制算法的核心所在，直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的使用壽命和運行穩定性狀態(tài)。SOC 是BMS中最重要的參數，目前大部分BMS廠(chǎng)家的SOC估算精度是在5%以?xún)鹊?，部分是?%以?xún)取?/p>

對于BMS的技術(shù)，目前各大芯片廠(chǎng)家都推出了自己的解決方案，以及針對性的底層芯片，供廠(chǎng)家進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個(gè)大的廠(chǎng)商，TI(德州儀器)、ST(意法半導體)、ADI(亞德諾)、ATMEL(艾特梅爾)、Infinen(英飛凌)、Linear(凌力爾特)、Maxim(美信)等廠(chǎng)家。國內的BMS企業(yè)都是在此基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包括硬件設計，軟件的搭建等。

三、ADI、ON、TI電動(dòng)汽車(chē)電池管理解決方案

(一)ADI全隔離式鋰離子電池監控和保護系統

1.方案特點(diǎn)

鋰離子電池組包含大量的電池單元，必須正確監控才能提高電池效率，延長(cháng)電池壽命確保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充當主監控器，向系統演示平臺評估板提供精確的電壓測量數據，而 6 通道 AD8280 器件充當副監控器和保護系統。

AD8280 是一款用于鋰離子電池組的純硬連線(xiàn)安全監控器，配合 AD7280A 使用時(shí)，可提供具有可調閾值檢測和共用或單獨報警輸出的低成本、冗余、備用電池監控器。它具有自測功能，因此適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)等高可靠性應用或者不間斷電源等高壓工業(yè)應用。AD7280A 和 AD8280 均從監控的電池單元獲得電源。

ADuM5404集成一個(gè)DC-DC轉換器，用于向ADuM1201和ADuM1401隔離器的高壓端供電，以及向AD7280ASPI接口提供VDRIVE電源。這些4通道、磁性隔離電路是安全、可靠、易用的光耦合器替代解決方案。

2. 方案框圖

3. 芯片參數

3.1 ADI AD7280A 參數

單顆處理 4-6 s 前端

12 Bit ADC 采樣，平均每通道采樣時(shí)間1 us

能夠對6個(gè)通道的電壓和溫度進(jìn)行監測，典型

精度達±1.6 mV (典型值)

多個(gè) AD7280A 可采用菊花鏈連接，單個(gè)電路

板最多可監控 48 個(gè)電池單元，轉換只需7 μs

提供被動(dòng)式電池單元平衡控制功能

轉換模式下功耗小于6 mA

斷電模式下功耗小于1.8 uA

SPI 通信提供CRC 校驗保證數據的可靠性

3.2 ADI AD8280 參數

電壓范圍：6.0 V–30 V

多路輸入可監控 3-6 路電池電壓和 2 個(gè)溫度

可調監控閥值：過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫

報警選項：?jiǎn)为毣蛘吖灿脠缶?/p>

可通過(guò)菊花鏈方式連接

(二)ON 電池監護方案

(三)TI推出電池主動(dòng)式均衡負載技術(shù)

1.方案特點(diǎn)

TI推薦電動(dòng)車(chē)所采用的主動(dòng)均衡方式：每個(gè)電池芯藉由矩陣開(kāi)關(guān)控制變壓器與充電線(xiàn)路的組合，形成一個(gè)有調整功能的電壓/電流蓄水池的功能，當電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導致整組電池充放電容量下降，可藉由后端連接蓄水池的線(xiàn)路做調整，充電時(shí)不會(huì )因為監控到某個(gè)電池芯內壓過(guò)高而停止充電，放電時(shí)也可以完全的100%的釋放能源，進(jìn)而延長(cháng)電動(dòng)車(chē)的行駛距離。

TI在隔離式DC-DC主動(dòng)均衡技術(shù)的能源轉換效率高達87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應芯片所組成，其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片，與EMB1499為七信道電壓控制芯片等，來(lái)建構十四通道雙向主動(dòng)式電池芯均衡功能，串聯(lián)14顆電池芯與最高60V工作電壓，提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力，并滿(mǎn)足AECQ-100車(chē)用電子驗證標準。

2.芯片參數：

2.1 EMB1432Q

單顆處理 14S前端模擬

最高輸入耐壓60V

輸出電壓誤差為+/- 1mV

SPI 通訊支持1MHz

符合ACE-Q100汽車(chē)規范

2.2 EMB1428Q

最高輸入耐壓60V

SPI 通訊支持1MHz

最低待機功耗(100uA)

符合ACE-Q100汽車(chē)規范

2.3 EMB1499Q

最高輸入耐壓60V

SPI 通訊支持1MHz

最低待機功耗(30uA)

符合ACE-Q100汽車(chē)規范