電動汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)趨勢及方案精選

　　電動車未來將以鋰電池為主要動力驅(qū)動來源，主因在于鋰電池有高能量密度優(yōu)勢，所以性能較為穩(wěn)定。然而鋰電池大量生產(chǎn)時品質(zhì)不易掌握，電池芯出廠時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，嚴重時可能導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

　　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)計實現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設(shè)計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實現(xiàn)了控制系統(tǒng)對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯的管理，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。在充電過程中對電池的熱管理，啟停鋰電池的冷卻系統(tǒng)，同時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。另外監(jiān)測整個電池的健康工作狀態(tài)。

　　圖表1 國內(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)有主動式均衡和被動式均衡兩種管理模式。兩種管理模式各有優(yōu)缺點，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行處理發(fā)出指令，最后將整個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、國內(nèi)車用BMS廠家淺析

　　國內(nèi)主流車用BMS廠家都有被動均衡技術(shù)，而且其中絕大部分都有主動均衡技術(shù)儲備。在廠家給的配置單上，主動均衡是一個“選配”功能。被動均衡的BMS裝機量較大，占據(jù)新能源汽車市場較高的份額，遠遠高于主動均衡BMS的市場份額。國內(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，被動均衡相對較易接受。隨著新能源汽車產(chǎn)品的向高端發(fā)展，對BMS的要求也越來越高，主動均衡技術(shù)將成為未來的發(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，電動汽車動力電池的電荷狀態(tài)估測是BMS控制算法的核心所在，直接影響到電動汽車的使用壽命和運行穩(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，以及針對性的底層芯片，供廠家進行二次開發(fā)。常用的主流方案以及芯片有這么幾個大的廠商，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）等廠家。國內(nèi)的BMS企業(yè)都是在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，包括硬件設(shè)計，軟件的搭建等。

　　三、ADI、ON、TI電動汽車電池管理解決方案

　?。ㄒ唬〢DI全隔離式鋰離子電池監(jiān)控和保護系統(tǒng)

　　1.方案特點

　　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，延長電池壽命確保安全性。方案中的 6 通道 AD7280A 器件充當主監(jiān)控器，向系統(tǒng)演示平臺評估板提供精確的電壓測量數(shù)據(jù)，而 6 通道 AD8280 器件充當副監(jiān)控器和保護系統(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，可提供具有可調(diào)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(jiān)控器。它具有自測功能，因此適合混合動力電動汽車等高可靠性應(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

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　　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，平均每通道采樣時間1 us

　　能夠?qū)?個通道的電壓和溫度進行監(jiān)測，典型

　　精度達±1.6 mV （典型值）

　　多個 AD7280A 可采用菊花鏈連接，單個電路

　　板最多可監(jiān)控 48 個電池單元，轉(zhuǎn)換只需7 μs

　　提供被動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 校驗保證數(shù)據(jù)的可靠性

　　3.2 ADI AD8280 參數(shù)

　　電壓范圍：6.0 V–30 V

　　多路輸入可監(jiān)控 3-6 路電池電壓和 2 個溫度

　　可調(diào)監(jiān)控閥值：過壓、欠壓、過溫

　　報警選項：單獨或者共用報警

　　可通過菊花鏈方式連接

　?。ǘ㎡N 電池監(jiān)護方案

　?。ㄈ㏕I推出電池主動式均衡負載技術(shù)

　　1.方案特點

　　TI推薦電動車所采用的主動均衡方式：每個電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合，形成一個有調(diào)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路做調(diào)整，充電時不會因為監(jiān)控到某個電池芯內(nèi)壓過高而停止充電，放電時也可以完全的100%的釋放能源，進而延長電動車的行駛距離。

　　TI在隔離式DC-DC主動均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)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(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車用電子驗證標準。

　　2.芯片參數(shù)：

　　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汽車規(guī)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汽車規(guī)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汽車規(guī)范

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