電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)現(xiàn)形式及大廠芯片性能分析

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠(chéng)）目前國(guó)內(nèi)碳中和已被提上日程，全球已經(jīng)有超過120個(gè)國(guó)家提出了碳中和的目標(biāo)。碳中和的提出為電動(dòng)汽車市場(chǎng)提供了一個(gè)新的發(fā)展契機(jī)。電動(dòng)汽車市場(chǎng)大熱，據(jù)Canalys預(yù)測(cè)，2021年第一、第二季度全球電動(dòng)汽車（EV）銷量為260萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)160%。

在電動(dòng)汽車中電池為主要核心部分，電池的性能直接決定了充電的速度、車輛續(xù)航問題和安全性的問題。為了解決這些問題，提高電池效率和延長(zhǎng)電池使用壽命，車企在電動(dòng)汽車中加入了BMS技術(shù)，對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

BMS在電動(dòng)汽車中起到什么作用及實(shí)現(xiàn)形式

BMS系統(tǒng)子在電動(dòng)汽車中主要起到對(duì)電池充、放電的管理作用。BMS系統(tǒng)可進(jìn)行電池狀態(tài)分析、電量管理、電池信息管理、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池保護(hù)。通過系統(tǒng)性地管理，電池可避免電池過充、過放、溫度過高等情況出現(xiàn)，提高電池性能和使用壽命。
BMS系統(tǒng)主要以集中式和分布式兩種形式實(shí)現(xiàn)。集中式BMS是通過一條總線的形式對(duì)電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行采集監(jiān)控，集中式BMS分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，高壓區(qū)對(duì)單體電池?cái)?shù)據(jù)采集，低壓區(qū)主要是集成了供電、通信等線路。集中式BMS系統(tǒng)具有低成本、拓?fù)浜?jiǎn)單等特性，一般用于低電壓、小容量的電池中，如機(jī)器人、小型兩輪電動(dòng)車等。

分布式BMS是進(jìn)行模塊化、分級(jí)式管理的。每組電池都會(huì)與LECU匹配，并對(duì)電池單體進(jìn)行電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集，判斷電池的狀態(tài)。高壓區(qū)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池總壓、母線總壓、絕緣電阻的狀態(tài)。LECU和高壓區(qū)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分析后進(jìn)入BMU匯總傳入BSE。最終由BSE作出判斷。

風(fēng)口之下免不了競(jìng)爭(zhēng)，電動(dòng)汽車發(fā)展勢(shì)頭迅猛，多家芯片廠商相繼推出BMS芯片，為車企提供更多的選擇。

TI高精度電池監(jiān)控、平衡、保護(hù)器

汽車電氣化呈不可逆轉(zhuǎn)之勢(shì)快速發(fā)展，BMS系統(tǒng)成為首要核心問題。TI在電動(dòng)汽車BMS領(lǐng)域頗有建樹，先后發(fā)布了符合ASIL D標(biāo)準(zhǔn)的有線BMS和無(wú)線BMS解決方案，領(lǐng)先業(yè)界。


BQ79614-Q1是一款可應(yīng)用與混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車BMS模塊高精度的電池監(jiān)控器、平衡器和保護(hù)器，可對(duì)電池溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，為避免過熱的情況出現(xiàn)，能自主進(jìn)行暫停和啟動(dòng)操作。該芯片工作電壓為12V，可在128μS內(nèi)迅速為14塊電池進(jìn)行高精度地電壓監(jiān)測(cè)。BQ79614-Q1芯片內(nèi)部集成了前端濾波器和后置ADC低通濾波器。前端濾波器是為了降低成本，能夠在電池輸入電路上使用簡(jiǎn)單、低壓的差分RC濾波器。ADC低通濾波器是為了對(duì)濾波后的直流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便計(jì)算出電池的電荷狀態(tài)。在該芯片可用于外部熱敏電阻的測(cè)量BQ79614-Q1在通信方面可與BQ7600器件相連或直接通過UART接口與MCU完成通信。在通信線線路異常的情況下，MCU可以通過隔離式差分菊花鏈與電池組直接通信。

ST 14S 高精度、快速速電池監(jiān)控保護(hù)芯片

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱ST），引領(lǐng)半導(dǎo)體市場(chǎng)多年，芯片應(yīng)用橫跨多個(gè)領(lǐng)域，也成為了汽車芯片的主要供應(yīng)商。在汽車領(lǐng)域，為滿足市場(chǎng)及設(shè)計(jì)需求，推出了高性能、高能效的32位車規(guī)級(jí)MC，高精度、低能耗的VIPower智能開關(guān)，多路、高精度的BMS IC和各類保護(hù)器件。ST在汽車電子領(lǐng)域可提供全方位的應(yīng)用產(chǎn)品、技術(shù)支持和解決方案。
L9963是一款由ST推出的汽車BMS IC，該芯片具有高精度和高測(cè)量速度的特性，其精度誤差僅為±2mV，4 ms內(nèi)可完成96個(gè)單元的數(shù)據(jù)讀取，贏得業(yè)界內(nèi)高度認(rèn)可。在BMS中最值得關(guān)注的是IC的精度和測(cè)量速度，高精度能夠更精確地讀取各單元的狀態(tài)，高測(cè)量速度解決的主要是時(shí)效問題，提高檢測(cè)精度，實(shí)時(shí)反應(yīng)電池狀態(tài)。

L9963可在48V或更高電壓的電網(wǎng)中應(yīng)用，可監(jiān)控4~14個(gè)串聯(lián)電池單元及7個(gè)外部NTC。通過SPI和隔離接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面可通過菊花鏈方式對(duì)1~31個(gè)設(shè)備進(jìn)行連接，整個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換延遲小于4微秒。L9963菊花鏈的通信串行總線帶寬為2.66Mbps，極大地降低了數(shù)據(jù)采樣延遲的問題，其中通過菊花鏈與31個(gè)L9963連接，在16毫秒內(nèi)可完成434個(gè)單元的數(shù)據(jù)讀取工作。該芯片還集成了9 GPIO外部通信接口，實(shí)現(xiàn)與外部通信并進(jìn)行外部監(jiān)測(cè)。冗余的電路功能是這款芯片的特色，也是對(duì)行車安全的一種保護(hù)。L9963冗余功能可對(duì)內(nèi)部的ADC進(jìn)行交叉檢測(cè)，當(dāng)其中一個(gè)ADC發(fā)生故障時(shí)，與其最近的ADC將直接接管發(fā)生故障的ADC避免行車事故的發(fā)生。

ST在L9963的基礎(chǔ)上還推出了搭配SPC58 Chorus MCU使用的三款評(píng)估板，實(shí)現(xiàn)評(píng)估板更接近于最終研究產(chǎn)品，加快開發(fā)人員的研究進(jìn)度。

ADI 12路電池監(jiān)視器

據(jù)ADI官網(wǎng)顯示，早在2008年就推出了第一款集成式高壓電池堆棧監(jiān)控器，至今已經(jīng)迭代更新到第四代，第五代產(chǎn)品還在研發(fā)階段。

LTC6811-1是ADI的第四代BMS IC，是一款電池組監(jiān)視器，最高可對(duì)12個(gè)串聯(lián)電池進(jìn)行電壓檢測(cè)，測(cè)量精度比ST L9963更高，總測(cè)量誤差小于1.2mV，完成12節(jié)的電池檢測(cè)僅需290μs。LTC6811-1可將多節(jié)電池串聯(lián)起來，因此該芯片可在高電壓的電池串中完成電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該芯片給還具有ISOSPI接口，可實(shí)現(xiàn)與器件之間高速的遠(yuǎn)程通信。LTC6811-1能將12組電池通過菊花鏈連接，實(shí)現(xiàn)多通道通信的功能，監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，并根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行暫停和啟動(dòng)操作，該芯片采用隔離式電源供電。

總結(jié)

在汽車中BMS系統(tǒng)就相當(dāng)于車輛與動(dòng)能管理系統(tǒng)連接的橋梁，BMS IC性能對(duì)電動(dòng)汽車的安全性、電池使用壽命、行駛里程都有影響。采樣精度更高、速度更快的BMS系統(tǒng)才能將電池利用率最大化，提高穩(wěn)定性和可靠性。