只有跳出專用IC方案 電池管理系統(tǒng)創(chuàng)新才可期待

　　電池管理專用IC的出現(xiàn)和發(fā)展是和鋰電池應(yīng)用過(guò)程中遇到的種種問(wèn)題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰電池的過(guò)充過(guò)放而設(shè)計(jì)出了單節(jié)電池的充放電保護(hù)芯片，后來(lái)在鋰電池多節(jié)串聯(lián)應(yīng)用中又發(fā)展出應(yīng)用于多串的芯片，這時(shí)候就成為了電池管理芯片，主要是對(duì)電池組中的每節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。再以后為了應(yīng)對(duì)電池不一致的問(wèn)題，進(jìn)一步集成了功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功能，這就是帶有均衡功能的電池管理IC。

　　客觀的講，電池管理專用IC成就了早期的BMS產(chǎn)業(yè)，也引領(lǐng)了BMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因?yàn)橛辛藢Ｓ眯酒?，BMS的設(shè)計(jì)才能大大簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高，但是同時(shí)，我們也要看到專用芯片的局限性。前面說(shuō)過(guò)，電池管理專用芯片也是隨著鋰電池的應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，而早期的鋰電池多用于小型電子設(shè)備，后來(lái)在筆記本電腦中得到廣泛使用，至此電池管理專用芯片一直都是為低串?dāng)?shù)、小型設(shè)備服務(wù)。

　　當(dāng)鋰電池組應(yīng)用到電動(dòng)汽車時(shí)，情況開始有了變化。電動(dòng)汽車用鋰電池組是高串?dāng)?shù)、大容量的電池串聯(lián)使用，動(dòng)輒幾十串甚至上百串的數(shù)量已經(jīng)不是筆記本電腦中幾串這種個(gè)位數(shù)級(jí)別的串聯(lián)使用可以相比的。專用IC也沒有閑著，迅速地推出了更多串?dāng)?shù)應(yīng)用的產(chǎn)品，但是考慮到電壓和應(yīng)用復(fù)雜度一般都不超過(guò)20串。使用這些IC設(shè)計(jì)的BMS的典型架構(gòu)是集中式架構(gòu)。BMS和電池組之間只有連線，連線數(shù)量取決于電池組串?dāng)?shù)，在BMS電路板上的電池管理專用芯片數(shù)量也取決于電池組串?dāng)?shù)。

　　從示意圖中可以看出，集中式BMS產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在電池組串?dāng)?shù)較低時(shí)，比如說(shuō)10來(lái)串，連線還算不太復(fù)雜，而且在電池組容量小的情況下，BMS安裝位置可以靠近整個(gè)電池組，縮短連線距離，電池組----BMS，整個(gè)能量系統(tǒng)比較緊湊一體，在電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車上比較適合。但是在電動(dòng)汽車鋰電池組上應(yīng)用時(shí)，因?yàn)樾枰姵厝萘看?，成組后物理尺寸比較大，連線會(huì)較長(zhǎng)，而且長(zhǎng)短不一，再加上串?dāng)?shù)眾多，連線數(shù)量也就很多，幾十條甚至上百條線的排布非常麻煩。

　　還有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)就是這些連線的順序是需要固定的，因?yàn)閷Ｓ眯酒墓苣_已經(jīng)事先定義了電池串聯(lián)順序，所以每串電池上的連線要接入到BMS指定的接插件腳位。雖然在BMS設(shè)計(jì)工作上這并沒有什么困難，但是在BMS與電池組的實(shí)際連接工作中卻是一個(gè)不小的麻煩事。一般線都是一端和電池連接在一起，另一端通過(guò)插件接入BMS，與電池連接這些工作現(xiàn)在都是人工完成，將來(lái)也很難由機(jī)器完成，連接在每串電池每個(gè)電極上的線都不能出任何失誤，這整個(gè)的工作量大小可想而知。通過(guò)集中式架構(gòu)的分析，我們看到，專用IC比較適用于小容量、低串?dāng)?shù)的場(chǎng)合，在大容量、高串?dāng)?shù)的場(chǎng)合會(huì)有連線復(fù)雜，需要一一對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)。

　　再看均衡的問(wèn)題，集中式架構(gòu)比較適合完成被動(dòng)均衡，電路設(shè)計(jì)上不增加復(fù)雜度，現(xiàn)在的主流專用IC也都有此功能。但是電流能力有限，百毫安級(jí)別，在電池組使用初期一致性差別不大的情況下問(wèn)題倒也不大，在中后期一致性差別較大的情況下就會(huì)有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險(xiǎn)。如果要加入主動(dòng)均衡功能，現(xiàn)有架構(gòu)基本沒有任何幫助，需要額外的線束和開關(guān)矩陣，電路復(fù)雜程度急劇上升。開關(guān)矩陣需要大量的電子開關(guān)，MOSFET，但是因?yàn)閿?shù)量多，其控制電路相當(dāng)復(fù)雜，有企業(yè)用繼電器代替，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，但是帶來(lái)了繼電器作為一個(gè)機(jī)械開關(guān)的壽命問(wèn)題和誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。

　　當(dāng)然也可以通過(guò)降低繼電器的開關(guān)頻率來(lái)延長(zhǎng)其壽命，通過(guò)誤動(dòng)作檢查來(lái)避開風(fēng)險(xiǎn)，但是這樣做始終是無(wú)法保證器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間，更何況繼電器的數(shù)量也是相當(dāng)多，不止一個(gè)。這是一種不得已而為之的妥協(xié)方案，而不是解決主動(dòng)均衡開關(guān)矩陣難題的正解。

　　為了解決連線復(fù)雜的難題，出現(xiàn)了分布式架構(gòu)的BMS。這種BMS是將信息采集傳遞的功能與其他功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)分成了CSC（單體管理單元）、BMU（電池管理控制器），CSC安裝在單串電池上，負(fù)責(zé)本串電池信息采集和傳遞，每串電池的信息通過(guò)總線傳入BMU。這種架構(gòu)通過(guò)總線解決了線束復(fù)雜的難題，而且安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，效率高，柔性好，適合不同電池組規(guī)模大小。分布式的BMS可以不用電池管理專用IC，是拋開專用IC進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)相對(duì)成功的思路。