電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)
電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動(dòng)汽車(chē)中用于監(jiān)測(cè)和管理電池系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組件，它有助于平衡電池電量，防止過(guò)度充電和過(guò)度放電，從而確保鋰離子電池的安全、可靠和有效運(yùn)行，同時(shí)優(yōu)化電池的整體效率和壽命。
電動(dòng)汽車(chē)BMS分為兩類(lèi)，即低壓（LV）和高壓（HV）。低壓電池管理系統(tǒng)（LVBMS）主要用于≤30VAC和≤60VDC的兩輪和三輪電動(dòng)車(chē)輛中。高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）則是針對(duì)≤600VAC和≤900VDC或者≤1,000VAC和≤1,500 VDC的四輪電動(dòng)汽車(chē)（EV）的電池監(jiān)測(cè)需求而設(shè)計(jì)，尤其是在快速充電過(guò)程中，在確保電池的健康和安全方面起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)主動(dòng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)電池的SOC（充電狀態(tài)）、SOH（健康狀態(tài)）和溫度狀態(tài)（SOT），HVBMS可有效防止電池出現(xiàn)熱失控，并極大限度地提高效率和性能。
電動(dòng)汽車(chē)四個(gè)常用BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
汽車(chē)BMS必須具有電壓、溫度、電流、電池充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及鋰離子電池的電量平衡等關(guān)鍵功能。按照體系結(jié)構(gòu)劃分，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)汽車(chē)BMS主要有以下四種類(lèi)型：
BMS的主要類(lèi)型
集中式BMS
單個(gè)控制器管理所有電池單元和模塊。雖然這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了管理，但它可能會(huì)限制更大電池系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并有引入單點(diǎn)故障的可能性。
分布式BMS
多個(gè)控制器跨特定模塊或電池組運(yùn)行，這種可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)通過(guò)內(nèi)置冗余增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，對(duì)需要單獨(dú)監(jiān)控的大型電池非常有效。
模塊化BMS
系統(tǒng)中的每個(gè)單元都是獨(dú)立的，都能夠自主操作。這種可擴(kuò)展的配置非常有助于電池尺寸的靈活變化，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要輕松添加或移除部分BMS模塊。
混合式BMS
將集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，混合式BMS采用中央控制器進(jìn)行全面管理，同時(shí)采用模塊化的本地控制器進(jìn)行詳細(xì)的電池監(jiān)測(cè)和控制，這種結(jié)構(gòu)可提供全面的系統(tǒng)管理和細(xì)粒度控制功能。
特斯拉Model S采用的是集中式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并帶有一個(gè)處理電池?cái)?shù)據(jù)的控制器，這種模式確保了高效的充電和放電循環(huán)以及極大的行駛里程和電池的完整性。特斯拉的Model 3和Model Y電動(dòng)汽車(chē)同樣采用了先進(jìn)的BMS設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化電池組性能。而Model Y電動(dòng)汽車(chē)因包含一個(gè)帶有4680電芯的結(jié)構(gòu)化電池包，意味著它正在向更集成的CTB（電池到車(chē)身）目標(biāo)過(guò)渡。
日產(chǎn)汽車(chē)的Leaf采用分布式BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)電池模塊由單獨(dú)的控制器管理。與集中式BMS相比，這種設(shè)置通過(guò)在模塊級(jí)別提供精確的管理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率和安全性。
寶馬i3采用的是模塊化BMS架構(gòu)，電池組被分為不同的模塊，每個(gè)模塊都有自己的BMS，這些單獨(dú)的模塊可以獨(dú)立維修。
快速增長(zhǎng)的BMS芯片需求量
汽車(chē)電動(dòng)化正在全球主要市場(chǎng)加速發(fā)展。用于車(chē)載充電器、逆變器和直流-直流轉(zhuǎn)換器的硅（Si）和碳化硅（SiC）器件在電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并在汽車(chē)的半導(dǎo)體價(jià)值中占很大比例。逆變器等大功率電子元件在制造電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)值中占據(jù)了相當(dāng)大的份額。但I(xiàn)DTechEx在“2023-2033年自動(dòng)駕駛和電動(dòng)汽車(chē)用半導(dǎo)體”報(bào)告中將視角深入到了單個(gè)芯片和晶圓的層面，他們從中發(fā)現(xiàn)，BMS正在成為當(dāng)下電動(dòng)汽車(chē)中半導(dǎo)體元器件需求量的主要貢獻(xiàn)者。
在電池管理系統(tǒng)中，有兩種主要類(lèi)型的芯片，一種是做出重大決策的主控制器，另一種就是負(fù)責(zé)電池組中電池監(jiān)測(cè)和平衡的芯片（BMB IC）。這些BMB IC從電池組的傳感器中收集信息，并將信息發(fā)送到主控制器，然后由主控制器發(fā)出采取行動(dòng)的指令，比如在電池過(guò)熱時(shí)打開(kāi)冷卻器。通常，每個(gè)BMB IC可監(jiān)測(cè)10-20個(gè)電芯，一輛電動(dòng)汽車(chē)的電池組往往由數(shù)千個(gè)電芯組成，因此，整個(gè)電池組中將包含數(shù)量可觀(guān)的BMB IC。
為此，IDTechEx在其研究報(bào)告中指出，電池管理系統(tǒng)現(xiàn)在能占到電動(dòng)汽車(chē)電力系統(tǒng)中硅需求量的約三分之一。這一點(diǎn)同樣可從Mordor Intelligence的分析報(bào)告中得到印證。Mordor Intelligence認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2023年的88.1億美元快速增長(zhǎng)到2028年的377.1億美元，2023年-2028年的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)期高達(dá)33.76%。
另?yè)?jù)Yole Intelligence的分析和預(yù)測(cè)，2028年，全球乘用車(chē)和輕型商用車(chē)市場(chǎng)將達(dá)到9,300萬(wàn)輛，其中xEV的市場(chǎng)份額為53.5%。2022年至2028年，純電動(dòng)汽車(chē)的復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到22.1%。伴隨著這一巨大增長(zhǎng)，包括純電動(dòng)汽車(chē)和PHEV在內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)BMS實(shí)現(xiàn)了快速擴(kuò)張，BMS的市場(chǎng)總額將從2022年的50億美元增至2028年的119億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為15.6%。增長(zhǎng)預(yù)期雖然沒(méi)有Mordor Intelligence預(yù)測(cè)的那么高，但同樣雙位數(shù)的增長(zhǎng)讓人們對(duì)這一市場(chǎng)充滿(mǎn)了期待。
具體細(xì)分到BMS的關(guān)鍵組件，AFE（模擬前端）市場(chǎng)將從2022年的9.3億美元增長(zhǎng)到2028年的22.4億美元，微控制器市場(chǎng)將從2020年的5.8億美元增長(zhǎng)到2028的13.4億美元，各種傳感器包括溫度、電流、壓力、加速度等市場(chǎng)將由2022年的14.6億美元增長(zhǎng)至2028年的35億美元。
目前，電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)市場(chǎng)的參與者眾多，主要由Renesas、NXP、Infineon、Keihin、TE Connectivity、ADI等幾家關(guān)鍵公司主導(dǎo)。
如何打造高效優(yōu)質(zhì)的BMS方案？
為了確保電動(dòng)汽車(chē)中整個(gè)電池系統(tǒng)在使用壽命內(nèi)的安全性和高性能，選擇正確的BMS組件至關(guān)重要。它可以極大限度地提高鋰離子電池的續(xù)航里程和使用壽命，使得汽車(chē)制造商在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。
在實(shí)際應(yīng)用中，我們很難說(shuō)哪一款HVBMS架構(gòu)或參考設(shè)計(jì)能夠適合所有應(yīng)用，滿(mǎn)足所有汽車(chē)制造商的需求。不過(guò)，在方案選擇過(guò)程中有一點(diǎn)應(yīng)作為重點(diǎn)來(lái)考慮，那就是任何參考設(shè)計(jì)都必須足夠靈活，以適應(yīng)所有可能的未來(lái)架構(gòu)。比如，需要解決從400V到1,000+V的不同系統(tǒng)電壓，以及即將推出的用于可切換800V充電和400V驅(qū)動(dòng)的2 x 400V混合動(dòng)力配置等。
BMS由電池管理單元（BMU）、電池監(jiān)測(cè)單元（CMU）和電池接線(xiàn)盒（BJB）3個(gè)模塊組成，如何在作為系統(tǒng)大腦的BMU、CMU和BJB子系統(tǒng)之間建立BMS內(nèi)部通信也需要設(shè)計(jì)人員在選擇方案時(shí)做出仔細(xì)評(píng)估。
NXP的可擴(kuò)展高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）參考設(shè)計(jì)，包含了BMU、CMU和BJB全部三個(gè)模塊。
BMU
其中，BMU采用符合ASIL D安全標(biāo)準(zhǔn)的 S32K3微控制器（MCU）系列。BMU中的MCU和其他組件由FS26 SBC供電，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的強(qiáng)大電源管理。RD-K344 BMU開(kāi)發(fā)板包含了S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等多個(gè)NXP的器件，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型；對(duì)于電池內(nèi)部通信，該參考設(shè)計(jì)提供了兩種可能的架構(gòu)：隔離電氣傳輸協(xié)議鏈路（ETPL）或CAN/CAN FD。
CMU
CMU的參考設(shè)計(jì)板中具有四個(gè)新ASIL D兼容電池控制器（BCC），可共同監(jiān)測(cè)和平衡多達(dá)56個(gè)電池。因使用了電容耦合來(lái)隔離板載通信，故多個(gè)板可通過(guò)菊花鏈連接，以將電池單元數(shù)擴(kuò)展到高達(dá)800V的系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。RD33775ACNTEVB是具有ETPL通信的集中式CMU參考設(shè)計(jì)，該評(píng)估板還包含以菊花鏈形式連接的4個(gè)MC33775A模擬前端（AFE）。
BJB
BJB的設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)新MC33772C IC，這是一款面向電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的6通道鋰離子電池控制器IC，可冗余測(cè)量電池組電流和幾個(gè)高電壓。BJB還可以在沒(méi)有MCU交互的情況下執(zhí)行庫(kù)侖計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度的電荷狀態(tài)和函數(shù)狀態(tài)計(jì)算。
圖4：HVBMS 400V ETPL架構(gòu)方框圖
（圖源：NXP）
盡管目前道路上的大多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)使用的是400V電池，但總體趨勢(shì)將逐漸轉(zhuǎn)向800V電池架構(gòu)。在800V高電壓下運(yùn)行的純電動(dòng)汽車(chē)，其充電時(shí)間要短得多，更滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求。未來(lái)5年，越來(lái)越多的汽車(chē)制造商將推出800V架構(gòu)車(chē)型。
NXP的RD-HVBMSCT800BUN是800V高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）的參考設(shè)計(jì)套件。它提供了完整的硬件解決方案，包括RD-K358 BMU、RD33774CNT3EVB電芯監(jiān)測(cè)單元（CMU）和RD772BJBTPL8EVB電池接線(xiàn)盒（BJB）以及軟件驅(qū)動(dòng)程序和可擴(kuò)展的功能安全文檔。汽車(chē)制造商、供應(yīng)商和軟件生態(tài)體系合作伙伴可以使用該套件直接進(jìn)行開(kāi)發(fā)、測(cè)試和展示。
圖5：800V高壓電池管理系統(tǒng)RD-HVBMSCT800BUN設(shè)計(jì)套件包含BMU、CMU和BJB全部三個(gè)子模塊
（圖源：NXP）
德州儀器（TI）ADS131B24-Q1是一款可用于電動(dòng)汽車(chē)HVBMS的電壓、電流和溫度檢測(cè)的產(chǎn)品，有很高的集成度，包括：兩個(gè)同步采樣、高精度的24位ADC 通道（ADC1A、ADC1B），可使用外部分流電阻以高分辨率和高精度測(cè)量電池電流；兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字比較器，可與兩個(gè)ADC并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速過(guò)流檢測(cè)；還集成了兩個(gè)多路復(fù)用的16位ADC通道（ADC2A、ADC2B），可使用外部高壓電阻分壓器來(lái)測(cè)量分流器溫度和系統(tǒng)中的其它電壓，例如電池組電壓。分流器溫度通過(guò)熱敏電阻或模擬輸出溫度傳感器等外部溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。
此外，每個(gè)ADC都配備了一個(gè)通道序列發(fā)生器，后者會(huì)自動(dòng)逐步調(diào)試配置的多路復(fù)用器輸入，以減少串行外設(shè)接口（SPI）上的通信。ADS131B24-Q1集成的多種監(jiān)測(cè)和診斷功能，可緩解和檢測(cè)隨機(jī)硬件故障，非常有助于開(kāi)發(fā)安全高效的電動(dòng)汽車(chē)BMS。
圖6：基于A(yíng)DS131B24-Q1的電動(dòng)汽車(chē)電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方框圖（圖源：TI）
展望HVBMS的未來(lái)
在全球范圍內(nèi)，汽車(chē)電氣化的趨勢(shì)不斷加速。到2028年，全球輕型汽車(chē)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到9,300萬(wàn)輛，xEV占據(jù)53.5%的市場(chǎng)份額。其中，純電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)增長(zhǎng)中處于領(lǐng)先地位，2022年至2028年的復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到22.1%，而同期xEV的整體年增長(zhǎng)率則為16.7%。 |
