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電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)及精選解決方案

時(shí)間 : 2022年6月17日分類 :工程百科

電動(dòng)車未來將以鋰電池為主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)來源，主因在于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢(shì)，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時(shí)品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時(shí)電量即存在些微差異，且隨著操作環(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，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。

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

一、技術(shù)及趨勢(shì)

BMS屬于電池包一部分，電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。

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

圖表1 國(guó)內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)

資料來源：一覽眾咨詢整理

目前電池管理系統(tǒng)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(hào)傳給運(yùn)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CAN通訊系統(tǒng)傳送給汽車中央控制單元或整車VMS系統(tǒng)。

二、國(guó)內(nèi)車用BMS廠家淺析

國(guó)內(nèi)主流車用BMS廠家都有被動(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(chǔ)備。在廠家給的配置單上，主動(dòng)均衡是一個(gè)“選配”功能。被動(dòng)均衡的BMS裝機(jī)量較大，占據(jù)新能源汽車市場(chǎng)較高的份額，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主動(dòng)均衡BMS的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)的新能源汽車主要是中低端產(chǎn)品，考慮到成本及配置需求方面，被動(dòng)均衡相對(duì)較易接受。隨著新能源汽車產(chǎn)品的向高端發(fā)展，對(duì)BMS的要求也越來越高，主動(dòng)均衡技術(shù)將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

在軟件方面其最核心的技術(shù)在于SOC的估測(cè)算法，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電荷狀態(tài)估測(cè)是BMS控制算法的核心所在，直接影響到電動(dòng)汽車的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)。SOC 是BMS中最重要的參數(shù)，目前大部分BMS廠家的SOC估算精度是在5%以內(nèi)的，部分是在8%以內(nèi)。

對(duì)于BMS的技術(shù)，目前各大芯片廠家都推出了自己的解決方案，以及針對(duì)性的底層芯片，供廠家進(jìn)行二次開發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個(gè)大的廠商，TI（德州儀器）、ST（意法半導(dǎo)體）、ADI（亞德諾）、ATMEL（艾特梅爾）、Infinen（英飛凌）、Linear（凌力爾特）、Maxim（美信）等廠家。國(guó)內(nèi)的BMS企業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，包括硬件設(shè)計(jì)，軟件的搭建等。

三、ADI、ON、TI電動(dòng)汽車電池管理解決方案

（一）ADI全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

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(jiān)控才能提高電池效率，延長(zhǎng)電池壽命確保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充當(dāng)主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺(tái)評(píng)估板提供精確的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，而 6 通道 AD8280 器件充當(dāng)副監(jiān)控器和保護(hù)系統(tǒng)。

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

ADuM5404集成一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)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(shù)

3.1 ADI AD7280A 參數(shù)

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?qū)?個(gè)通道的電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，典型
精度達(dá)±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(jiān)控 48 個(gè)電池單元，轉(zhuǎn)換只需7 μs
提供被動(dòng)式電池單元平衡控制功能
轉(zhuǎn)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(yàn)保證數(shù)據(jù)的可靠性

3.2 ADI AD8280 參數(shù)

電壓范圍：6.0 V?C30 V
多路輸入可監(jiān)控 3-6 路電池電壓和 2 個(gè)溫度
可調(diào)監(jiān)控閥值：過壓、欠壓、過溫
報(bào)警選項(xiàng)：?jiǎn)为?dú)或者共用報(bào)警
可通過菊花鏈方式連接

（二）ON 電池監(jiān)護(hù)方案

（三）TI推出電池主動(dòng)式均衡負(fù)載技術(shù)

1.方案特點(diǎn)

TI推薦電動(dòng)車所采用的主動(dòng)均衡方式：每個(gè)電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合，形成一個(gè)有調(diào)整功能的電壓／電流蓄水池的功能，當(dāng)電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導(dǎo)致整組電池充放電容量下降，可藉由后端連接蓄水池的線路做調(diào)整，充電時(shí)不會(huì)因?yàn)楸O(jiān)控到某個(gè)電池芯內(nèi)壓過高而停止充電，放電時(shí)也可以完全的100%的釋放能源，進(jìn)而延長(zhǎng)電動(dòng)車的行駛距離。

TI在隔離式DC-DC主動(dòng)均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應(yīng)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，來建構(gòu)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，并滿足AECQ-100車用電子驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。