電動汽車電池管理IC方案精選 - 全文

在電動汽車產(chǎn)業(yè)研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化過程中，BMS作為為電動汽車提供原始動力源管理系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響了電動汽車的性能及使用壽命。我們常說的BMS（電池管理系統(tǒng)）功能主要有三種：通過測量動力電池的荷電狀態(tài)，為駕駛員提供剩余的使用電量，以便提醒駕駛員能及時為電動電池進行充電；其次是對電池溫度進行監(jiān)控管理，檢測電池工作時的溫度，并使用吹分機或散熱片來確保電池工作在最佳狀態(tài)；最后是實現(xiàn)電池的均衡管理，由于出廠制造誤差、或者使用過程中的存在通風性差異，電化學(xué)性能轉(zhuǎn)換不一等情況，對電池電壓、剩余電量進行檢測，以防過度充電。

在BMS開發(fā)過程中，對BMS的危害分析有過壓（過充）、欠壓、過溫和過流等危害事件，如過壓可能是一個比較嚴重的事件，尤其長時間對電池過充會導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么，對于BMS系統(tǒng)安全設(shè)計的目標就是能夠及時發(fā)現(xiàn)電池過充、并通過合理的危害分析及評估，從單點失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計安全機制，最后做出恰當及時的處理。

恩智浦符合BMS功能安全的參考設(shè)計

恩智浦提供完整的電池管理系統(tǒng)解決方案，包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網(wǎng)絡(luò)高速收發(fā)器、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等。借助恩智浦的BMS方案，客戶可輕易實現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡(luò)或菊花鏈的電池管理系統(tǒng)。恩智浦提供多種符合ISO26262標準的器件，主控單元MPC574xP安全等級達到ASIL-D，模擬前端電池控制器MC33771安全等級達到ASIL-C，SBC（System Basic Chip）系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65安全等級達到ASIL-D。采用這套方案可簡化軟硬件設(shè)計，幫助客戶輕松實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級達到ASIL-C/D。此外，恩智浦提供符合功能安全的參考設(shè)計，極大加速客戶開發(fā)符合ISO26262標準的BMS產(chǎn)品。

恩智浦BMS菊花鏈式解決方案

在該方案中，主控單元采用的MPC574xP是一款基于Power architecture、具有l(wèi)ock step核的高性能、高安全性MCU。

⊿ SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65不僅提供多種可配置的電源選擇，而且提供電源監(jiān)控和眾多安全機制，支持fail-safe安全保護模式，MCU搭配SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片可實現(xiàn)更高的安全等級。

⊿ 模擬前端MC33771負責電池數(shù)據(jù)的采集，一個MC33771最多可以接14節(jié)單體電池，多個MC33771可以級聯(lián)形成菊花鏈式通信。

⊿ MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層，負責將SPI信號和差分信號進行轉(zhuǎn)換。

恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括集中式、分布式菊花鏈結(jié)構(gòu)以及集中式、分布式CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。菊花鏈式網(wǎng)絡(luò)可顯著降低BOM成本，受制于通信距離限制，在目前的大巴車上，目前主要是基于CAN總線通信。恩智浦提供的BMS解決方案具有極大的靈活性，可滿足不同客戶的需求。

鑒于目前國內(nèi)市場基于ISO26262的開發(fā)還處于起步階段，部分車廠和供應(yīng)商的功能安全開發(fā)經(jīng)驗不足，導(dǎo)致開發(fā)符合IS026262標準的BMS難度較大，并且要一下子達到系統(tǒng)級ASIL-C/D，系統(tǒng)開發(fā)成本高，挑戰(zhàn)性巨大。針對這種情況，恩智浦提供一種具有低成本優(yōu)勢的方案，推薦主控單元MCU采用具有超高性價比的S32K14x，該系列MCU基于ARM Cortex M4內(nèi)核，按照ISO26262標準設(shè)計，結(jié)合外部的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65等，可使系統(tǒng)安全等級達到ASIL-B。另外，單個S32K14x達到ASIL-B等級，通過軟硬件冗余設(shè)計也能使系統(tǒng)達到更高的安全等級ASIL-C。

恩智浦BMS CAN網(wǎng)絡(luò)解決方案

需要指出的是，在恩智浦公司，所有按照ISO26262標準開發(fā)的器件，都被囊括在恩智浦的SafeAssure計劃里。SafeAssure 保證開發(fā)的產(chǎn)品符合ISO26262標準，并提供必要的支持，提供功能安全相關(guān)的文檔，如Safety Manual 和FMEDA等，Safety Manual詳細闡述了芯片所采用安全機制，并指導(dǎo)用戶如何使用芯片可以達到比較高的安全性等級。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和診斷分析等，客戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求對FMEDA進行裁剪。

意法半導(dǎo)體面向車載多媒體、支持局域網(wǎng)節(jié)能電源IC

（一）集成式多媒體mosfet電源管理芯片L5961

作為ST首款集成式mosfet（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）網(wǎng)絡(luò)電源管理方案，電源管理IC L5961面向目標為車載多媒體、信息娛樂系統(tǒng)。意法的mosfet技術(shù)主要用于在汽車環(huán)境內(nèi)輕松地增裝CD或DVD播放器、車用收音機、個人導(dǎo)航儀等各種多媒體設(shè)備。

新款電源管理IC用于支持SMSC的mosfet網(wǎng)絡(luò)處理。L5961整合了電源和MOST兼容電源管理控制邏輯電路，以及強化的診斷和完備的系統(tǒng)監(jiān)控功能（電源電壓、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、喚醒事件和溫度）。

L5961電源管理芯片與SMSC網(wǎng)絡(luò)處理器組成芯片組，可充當任何一個MOST網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成模塊，而且讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間保持更大的獨立性，網(wǎng)絡(luò)中某一設(shè)備的開關(guān)時序或設(shè)備故障不會影響聯(lián)網(wǎng)的其它設(shè)備。當芯片組通過驗證即可用于所有mosfet應(yīng)用，無需重復(fù)進行驗證。

ST L5961集成電源管理控制邏輯電路及電源設(shè)計，印刷電路板尺寸縮小、制造成本和總體擁有成本更低、以及帶來更小的待機功耗。L5961支持多種功耗模式，其中超零功耗模式的正常靜態(tài)電流僅為5μA，遠遠低于分立器件取得的數(shù)值。

L5961的其它特性包括：集成一個給網(wǎng)絡(luò)處理器以及一個外接低壓設(shè)備供電的5V或3.3V、650mA DC-DC轉(zhuǎn)換器，兩個給光纖發(fā)射器和接收器供電的穩(wěn)壓器，具有診斷功能的網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器，此外還集成三個電源電壓監(jiān)測用電池檢測器，在目前的分立器件解決方案中，電池檢測器是單獨存在的功能。

（二）最新CAN技術(shù)規(guī)范、支持局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減耗電源IC L99PM72PXP

意法推出的新款汽車電源管理系統(tǒng)IC L99PM72PXP，可支持先進網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的汽車IC，大幅改善汽車燃油效率和尾氣二氧化碳排放量。通過局域網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，這項最新CAN技術(shù)規(guī)范的新功能可將汽車CO2 排放量降低2g/km以上。

新款電源管理IC L99PM72PXP通過單片整合高速CAN（HS-CAN）和LIN物理層功能，新產(chǎn)品擁有制造完整車身電子控制器單元（ECU）所需的全部功能。該產(chǎn)品的設(shè)計針對某些特定用途，如空調(diào)控制模塊和車門控制器單元，以及車座椅模塊、后備廂模塊、掛車模塊、天窗模塊和后視鏡模塊。

與市場現(xiàn)有的標準CAN收發(fā)器或系統(tǒng)芯片不同的是，L99PM72PXP能夠自主監(jiān)控CAN總線，無需模塊的主處理器介入，只有檢測到正確地址的喚醒信號時才會啟動，L99PM72PXP以這種方式關(guān)閉CAN的局部網(wǎng)絡(luò)，有助于降低汽車的整體能耗。

先進的失效保護功能是L99PM72PXP附加且獨有的功能，可改進電子控制器的穩(wěn)定性和可靠性。內(nèi)置的微控制器監(jiān)控、電源電壓監(jiān)控以及溫度監(jiān)控等保護功能為避免故障發(fā)生提供最有力的保障。此外，新產(chǎn)品集成大量具有成本效益的外設(shè)功能，如上下橋臂驅(qū)動器、運算放大器和穩(wěn)壓器，從而能夠減少外部元器件的數(shù)量，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的總體成本。

凌力爾特整合電池組監(jiān)視器+SmartMesh無線網(wǎng)格BMS系統(tǒng)

凌力爾特提供門類齊全的高性能電池充電器產(chǎn)品線，這些充電器IC提供諸多的電池安全及管理標準功能，包括片上電池預(yù)查驗、熱調(diào)節(jié)、NTC 接口以及采用 SMBus 或 I2C 接口的雙智能型電池系統(tǒng)管理。

在電池管理方面，凌力爾特提供如電池充電器 IC、PMIC、USB電源管理器、電池電量測試芯片、多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器、電池平衡器及無線功率傳輸?shù)鹊取?/p>

今年初慕尼黑上海電子展上，凌力爾特展示了業(yè)界首款無線電池管理系統(tǒng) （BMS） 概念車。這款無線 BMS 概念車由凌力爾特的設(shè)計合作伙伴 LION Smart 開發(fā)，它把凌力爾特高度準確的電池組監(jiān)視器及 SmartMesh? 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在 BMW i3 車型上進行了整合，取代了電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。

SmartMesh IP 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

整合型BMS系統(tǒng)采用LTC6811電池組監(jiān)視器，這是一款面向混合動力 / 電動汽車的完整電池測量器件，能夠測量多達 12 個串接式電池的電壓，并具有優(yōu)于 0.04% 的準確度。把 LTC6811 與凌力爾特的 SmartMesh 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相組合，可解決汽車配線線束和連接器所引起并長期存在的可靠性問題。

多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器

凌力爾特的多節(jié)電池、高電壓電池組監(jiān)視器系列是完整的電池監(jiān)視 IC，它們內(nèi)置了 12 位 ADC、精準的電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。可以把這些器件串聯(lián)起來 （無需使用光耦合器或光隔離器） 以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池。

該監(jiān)視器系列的應(yīng)用包括電動汽車和混合動力汽車、高功率便攜式設(shè)備、備份電池系統(tǒng)和高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

具備高精準度的LTC6801/6802/6803電池組監(jiān)視器系列

LTC6802-1 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器

特點：

· 可測量多達 12 個串聯(lián)鋰離子電池的電壓 （最大值為 60V）

· 可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)?> 1000V 的系統(tǒng)

· 0.25% 的最大總測量誤差

· 可在 13ms 完成一個系統(tǒng)中所有電池的測量

· 電量平衡：

- 內(nèi)置無源電量平衡開關(guān)

- 提供片外無源電量平衡

· 具兩個熱敏電阻輸入和內(nèi)置溫度傳感器

· 1MHz 可菊鏈式連接的串行接口

· 抗 EMI 的能力高

· 具內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ 轉(zhuǎn)換器

· 導(dǎo)線開路連接故障檢測

· 低功率模式

· 采用 44 引腳 SSOP 封裝

典型應(yīng)用：

應(yīng)用：

· 電動汽車和混合動力汽車

· 高功率便攜式設(shè)備

· 備份電池系統(tǒng)

· 高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電池平衡器LTC3300/LT8584系列

LTC3300 是一款故障保護控制器 IC，適用于對多節(jié)電池的電池組進行基于變壓器的雙向主動電荷平衡。該器件集成了所有相關(guān)的柵極驅(qū)動電路、高精度電池感測、故障檢測電路和一個帶內(nèi)置看門狗定時器的堅固型串行接口。

每個 LTC3300 能利用一個高達 36V 的輸入共模電壓對多達 6 節(jié)串聯(lián)連接的電池進行電荷平衡。來自任意選定電池的電荷能以高效率在其自身與 12 節(jié)或更多節(jié)相鄰的電池之間來回傳輸。一個獨特的電平移位 SPI 兼容型串行接口能在不采用光耦合器或隔離器的情況下完成多個 LTC3300-1 器件的串聯(lián)連接，從而實現(xiàn)長串串接電池中每節(jié)電池的電荷平衡。

LT8584 是一款單片式反激 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專為主動平衡高電壓電池組而設(shè)計。開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率顯著地增加了可實現(xiàn)的平衡電流，同時減少了發(fā)熱量。另外，主動平衡還可實現(xiàn)失配電池組的容量恢復(fù)，這是采用被動平衡系統(tǒng)無法獲得的特性。在典型系統(tǒng)中，可恢復(fù)超過 99% 的總電池容量。

LTC3300-1 - 高效率雙向多節(jié)電池的電池組平衡器

特點：

· 可實現(xiàn)多達 6 節(jié)串聯(lián)鋰離子或磷酸鐵鋰 （LiFePO4） 電池的雙向同步反激式平衡

· 高達 10A 的平衡電流 （由外部組件設(shè)定）

· 與 LTC680x 系列的多節(jié)電池組監(jiān)視器無縫集成

· 雙向架構(gòu)最大限度地減少了平衡時間和耗散功率

· 電荷轉(zhuǎn)移效率高達 92%

· 可堆迭式架構(gòu)可用于 >1000V 的系統(tǒng)

· 使用簡單的雙繞組變壓器

· 1MHz 可菊鏈式串行接口帶有 4 位 CRC 包錯誤檢查

· 高噪聲裕度串行通信

· 眾多的故障保護功能

· 48 引腳帶裸露襯墊 QFN 封裝和 LQFP 封裝

典型應(yīng)用：

應(yīng)用：

· 電動汽車 / 插電式混合動力汽車 （HEV）

· 大功率 UPS / 電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)

· 通用型多節(jié)電池的電池組