如何設計適用于高級電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的智能電池接線(xiàn)盒

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 日益流行，如何在反映真實(shí)續航里程的同時(shí)讓汽車(chē)更加經(jīng)濟實(shí)惠，成為汽車(chē)制造商面臨的挑戰之一。首先，這意味著(zhù)需要降低電池包成本并提高其能量密度。電芯中存儲和消耗的每瓦時(shí)能量都對延長(cháng)續航里程至關(guān)重要。

電池管理系統 (BMS) 的主要功能是監測電芯電壓、電池包電壓和電池包電流。此外，鑒于 BMS 的高電壓設計，需要測量高壓域和低壓域之間的絕緣電阻，從而捕捉電池結構中的缺陷并防止危險狀況發(fā)生。 

圖 1：傳統的 BMS 架構 (a)；具有智能電池接線(xiàn)盒 (BJB) 的 BMS 架構 (b)

圖 1 展示了典型的 BMS 架構，其中包括電池管理單元 (BMU)、電芯監控單元 (CMU) 和電池接線(xiàn)盒 (BJB)。BMU 通常包含一個(gè)微控制器 (MCU)，用來(lái)管理電池包中的所有功能。傳統電池接線(xiàn)盒是具有電源接觸器的繼電器盒或開(kāi)關(guān)盒，用于將整個(gè)電池包與負載逆變器、電機或電池充電器連接。

圖 1a 顯示的是傳統 BMS。接線(xiàn)盒內部沒(méi)有有源電子產(chǎn)品，電池接線(xiàn)盒中所有的測量都在電池管理單元BMU進(jìn)行。電池接線(xiàn)盒通過(guò)線(xiàn)纜連接到模數轉換器 (ADC) 端子。

圖 1b 顯示的是智能電池接線(xiàn)盒。接線(xiàn)盒內部具有專(zhuān)用的電池包監測器，可以測量所有電壓和電流，并通過(guò)簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)通信將信息傳遞給 MCU。這有助于消除布線(xiàn)和線(xiàn)束，并以更低的噪聲改進(jìn)電壓和電流測量。

電壓、溫度和電流測量

圖 2 展示了啟用BQ79731-Q1的電池包監測器在電池接線(xiàn)盒內所測量的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：電池接線(xiàn)盒內部的高電壓測量

●   電壓：高電壓測量使用分壓電阻器串來(lái)實(shí)現。此類(lèi)電壓測量可監測系統中高電壓元件的運行狀態(tài)。

●   溫度：溫度測量監測分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應用補償，此外，接觸器的溫度也在監測下，以確保其承受的負荷不超出正常運行條件。

●   電流：電流測量基于下列兩種器件之一：

    ○ 分流電阻器 - 由于電動(dòng)汽車(chē)中的電流可以高達數千安，因此分流電阻值要非常小，為 25μO(píng)hms 至 50μO(píng)hms；

    ○ 霍爾效應傳感器 - 用于測量電動(dòng)汽車(chē)高電壓回路上的電流，這種測量方式是隔離的。通常情況下，其動(dòng)態(tài)范圍有限，因此，系統中可能會(huì )使用多個(gè)傳感器來(lái)測量整個(gè)范圍。

過(guò)流故障檢測和保護

為了防止在短路、高壓端子裸露或設備故障的情況下對電池包造成重大損壞，必須在 BMS 中檢測并預防過(guò)流事件。集成在電池接線(xiàn)盒單元中的過(guò)流檢測電路將使用通過(guò)測量分流電阻器或霍爾效應傳感器和電池包監測器的電流，然后對該測量值進(jìn)行處理，并將其與電池包監測器內的閾值進(jìn)行比較。它們都能夠通過(guò)專(zhuān)用輸出發(fā)出過(guò)流事件信號，用于啟用保險絲驅動(dòng)器來(lái)熔斷高壓分離器（爆炸熔絲）。由于對信號的反應時(shí)間需要盡可能快，因此我們在電池包監測器件中部署了專(zhuān)用信號處理路徑提升反應速度。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是指電池包監測器和電芯監測器進(jìn)行電流和電壓采樣存在的延時(shí)時(shí)間。這些測量主要用于通過(guò)電化學(xué)阻抗跟蹤分析 (EIS) 來(lái)計算荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過(guò)測量電芯的電壓、電流和功率來(lái)計算電芯阻抗，BMS 就可以監測汽車(chē)的瞬時(shí)功率。

電芯電壓、電池包電壓和電池包電流必須實(shí)現時(shí)間同步，以便提供更準確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時(shí)間間隔稱(chēng)為同步間隔，同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準確。荷電狀態(tài)估算越準確，那么駕駛員預計的剩余續航里程就越精確。

同步要求

新一代 BMS 需要將同步電壓和電流測量延遲控制在 1ms 內，但要滿(mǎn)足這項要求會(huì )面臨如下挑戰：

TI 的電池監測器可以通過(guò)向電芯監測器和電池包監測器發(fā)出 ADC 啟動(dòng)命令來(lái)保持時(shí)間關(guān)系。這些電池監測器還支持延遲 ADC 采樣，以此補償通過(guò)菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動(dòng)命令引發(fā)的傳播延遲。

遠程器件通信支持

智能電池接線(xiàn)盒的另一個(gè)優(yōu)勢是可通過(guò)使用多功能菊花鏈接口簡(jiǎn)化數據通信，不僅適用于電池包和電池電芯監測器件，還適用于遠程器件（如 EEPROM 存儲器或放置在車(chē)輛不同物理位置模塊中的各類(lèi)傳感器）。在這種情況下，電池包和監測器件還充當接口轉換器，提供通過(guò)菊花鏈接口傳輸的 I2C 或 SPI 數據，從而減少了布線(xiàn)和線(xiàn)束，進(jìn)而降低了電動(dòng)汽車(chē)的整體重量。

汽車(chē)行業(yè)的大規模電氣化發(fā)展促使需要通過(guò)在接線(xiàn)盒中添加電子產(chǎn)品來(lái)降低 BMS 復雜性，并且要提升系統安全性。電池包監測器可以在本地測量繼電器之前和之后的電壓，以及整個(gè)電池包的電流。提升電壓和電流測量的精度可以直接促進(jìn)對電池的充分利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 器件可以將系統的所有必要功能集成到單個(gè)器件中，以此優(yōu)化智能電池接線(xiàn)盒的性能，并降低其未來(lái)成本。通過(guò)有效的電壓和電流同步，可以對健康狀況狀態(tài)、荷電狀態(tài)和 EIS 進(jìn)行精確計算，進(jìn)而充分利用電池。

此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池電芯監測器系列可實(shí)現精確的電芯電壓和溫度測量，以此作為 CSU 部署的一部分，助力創(chuàng )建完善的 BMS 生態(tài)系統。

作者：Issac Hsu，德州儀器（TI）電池管理系統產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理