如何為先進(jìn)的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能電池接線盒

隨著電動(dòng)汽車 （EV） 變得越來越受歡迎，汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)是在使車輛更實(shí)惠的同時(shí)反映真實(shí)的續(xù)航里程。這意味著使電池組成本更低，能量密度更高。從電池中存儲(chǔ)和檢索的每一瓦時(shí)對(duì)于延長行駛里程至關(guān)重要。

電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要功能是監(jiān)控電池電壓、電池組電壓和電池組電流。此外，由于BMS的高壓設(shè)計(jì)，需要在高壓域和低壓域之間進(jìn)行絕緣電阻測量，以捕獲電池結(jié)構(gòu)中的缺陷并防止危險(xiǎn)條件。

圖 1：傳統(tǒng)的 BMS 架構(gòu) （a）;帶有智能電池接線盒 （BJB） 的 BMS 架構(gòu) （b）

圖1所示為典型的BMS架構(gòu)，其中包含電池管理單元（BMU）、單元監(jiān)控單元（CMU）和電池接線盒（BJB）。BMU通常有一個(gè)微控制器（MCU），用于管理電池組內(nèi)的所有功能。傳統(tǒng)的BJB是繼電器盒或帶有電源接觸器的開關(guān)盒，將整個(gè)電池組連接到負(fù)載逆變器，電機(jī)或電池充電器。

圖1a顯示了傳統(tǒng)的BMS。接線盒內(nèi)沒有有源電子設(shè)備。BJB 中的所有測量都是在 BMU 測量的。有電線將BJB連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）端子。

圖 1b 顯示了智能 BJB。盒子內(nèi)有一個(gè)專用的電池組監(jiān)視器，用于測量所有電壓和電流，并使用簡單的雙絞線通信將信息傳遞給MCU。它有助于消除電線和電纜線束;并以更低的噪聲改進(jìn)電壓和電流測量。

電壓、溫度和電流測量

圖 2 顯示了由 BQ79731-Q1 電池組監(jiān)視器支持的 BJB 內(nèi)部測量的電池組監(jiān)視器內(nèi)的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：BJB 內(nèi)部的高壓測量

電壓：使用分壓電阻串測量高壓。這些電壓測量監(jiān)測系統(tǒng)中高壓組件的狀態(tài)。

溫度：溫度測量值監(jiān)控分流電阻器的溫度，以便MCU可以應(yīng)用補(bǔ)償，以及接觸器的溫度，以確保它們不會(huì)受到超出正常工作條件的壓力。

電流：電流測量基于以下任一條件：

分流電阻器 - 由于電動(dòng)汽車中的電流可以高達(dá)數(shù)千安培，因此分流電阻值非常小——在 25 μOhms 至 50 μOhms 的范圍內(nèi);或

霍爾效應(yīng)傳感器 – 用于測量高壓軌上的 EV 電流，同時(shí)仍處于隔離狀態(tài)。其動(dòng)態(tài)范圍通常有限，因此系統(tǒng)中可以有多個(gè)傳感器來測量整個(gè)范圍。

過流故障檢測和保護(hù)

BMS中甚至需要檢測和防止過電流，以防止在發(fā)生短路，暴露高壓端子或有缺陷的設(shè)備時(shí)對(duì)電池組造成災(zāi)難性損壞。集成在BJB單元中的過流電路將使用通過分流電阻器或霍爾效應(yīng)傳感器和電池組監(jiān)視器測量的電流檢測信息。然后處理該測量值，并將其與電池組監(jiān)視器內(nèi)的閾值進(jìn)行比較，而該閾值能夠通過專用輸出發(fā)出過流事件信號(hào)，該輸出將用于啟用保險(xiǎn)絲驅(qū)動(dòng)器以熔斷高壓分離器（熱解保險(xiǎn)絲）。由于對(duì)此的反應(yīng)時(shí)間需要盡可能快，因此在電池組監(jiān)控器設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了專用的信號(hào)處理路徑。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是對(duì)電池組監(jiān)視器和電池監(jiān)視器之間的電壓和電流進(jìn)行采樣的時(shí)間延遲。這些測量主要用于通過電阻抗譜（EIS）計(jì)算充電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過測量電池兩端的電壓、電流和功率來計(jì)算電池的阻抗，使BMS能夠監(jiān)控汽車的瞬時(shí)功率。

The cell voltage, pack voltage and pack current have to be time-synchronized to provide the most accurate power and impedance estimations. Taking samples within a certain time interval is called the synchronization interval. The smaller the synchronization interval, the more accurate the power estimate or the impedance estimate. The more accurate the state-of-charge estimation, the more accurate remaining mileage drivers get.

Synchronization requirements

下一代BMS將需要在不到1 ms的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行同步電壓和電流測量，但滿足這一要求存在挑戰(zhàn)：

TI 的電池監(jiān)視器可以通過向電池監(jiān)視器和電池組監(jiān)視器發(fā)出 ADC 啟動(dòng)命令來保持時(shí)間關(guān)系。這些電池監(jiān)視器還支持延遲 ADC 采樣，以補(bǔ)償沿菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動(dòng)命令時(shí)的傳播延遲。

遠(yuǎn)程設(shè)備通信支持

智能BJB的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過使用多功能菊花鏈接口，不僅可以用于電池組和電池監(jiān)控設(shè)備，還可以使用EEPROM存儲(chǔ)器等遠(yuǎn)程設(shè)備或放置在模塊中的任何類型的傳感器，從而簡化數(shù)據(jù)通信，這些傳感器在車輛中具有不同的物理位置。在這種情況下，包裝和監(jiān)視器設(shè)備還充當(dāng)界面轉(zhuǎn)換器，提供I2C 或 SPI 數(shù)據(jù)通過菊花鏈接口傳輸，無需電線和電纜線束，從而減輕了電動(dòng)汽車的整體重量。

汽車行業(yè)正在發(fā)生的大規(guī)模電氣化工作推動(dòng)了通過在接線盒中添加電子設(shè)備來降低BMS復(fù)雜性的需求，同時(shí)提高系統(tǒng)安全性。電池組監(jiān)視器可以在本地測量繼電器前后的電壓，即通過電池組的電流。電壓和電流測量精度的提高將直接導(dǎo)致電池的最佳利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 通過將系統(tǒng)的所有必要功能集成到單個(gè)器件中，可以優(yōu)化智能 BJB 的性能并降低其未來成本。有效的電壓和電流同步可實(shí)現(xiàn)精確的健康狀態(tài)、充電狀態(tài)和EIS計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)電池的最佳利用率。

此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池監(jiān)控器系列提供精確的電池電壓和溫度測量，作為 CSU 實(shí)施的一部分，可實(shí)現(xiàn)完整的 BMS 生態(tài)系統(tǒng)。