教你如何選擇BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件

在節(jié)能減碳的大背景下，全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化，其中一個(gè)重要的標(biāo)志就是，以鋰離子電池（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池）為代表的儲(chǔ)能技術(shù)，將在未來(lái)的能源基礎(chǔ)設(shè)施中扮演著重要的角色。

在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)論是驅(qū)動(dòng)新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池，還是方興未艾的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電池，都將迎來(lái)一個(gè)令人興奮的“牛市”。根據(jù)波士頓咨詢公司與中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)發(fā)布的聯(lián)合研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到2030年，全球鋰電池的需求規(guī)模將達(dá)到4太瓦時(shí)（TWh）。

不可或缺的BMS系統(tǒng)

伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展，另一個(gè)技術(shù)的重要性也越發(fā)凸顯出來(lái)，這就是電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS通常會(huì)與鋰電池包集成在一起，作為管理和監(jiān)控鋰電池的中樞，監(jiān)控電池的狀態(tài)，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電等情況，確保電池安全可靠地工作，并盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。具體來(lái)講，BMS的主要功能包括：

狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)電池組的SOC（荷電狀態(tài)）、SOP（功率狀態(tài)）和SOH（健康狀態(tài)）等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和估算，為更優(yōu)的控制決策提供依據(jù)。

能量均衡

電池組中單個(gè)電池之間性能表現(xiàn)的差異，會(huì)對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用產(chǎn)生不良影響，能量均衡就是通過(guò)彌補(bǔ)電池個(gè)體之間的差異，確保其一致性，以延長(zhǎng)電池組整體使用壽命。

保護(hù)功能

BMS通常會(huì)提供可靠的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)溫、低溫保護(hù)，以及多級(jí)故障診斷保護(hù)，以確保在發(fā)生故障時(shí)做出快速響應(yīng)。

數(shù)據(jù)通信

通過(guò)有線或者無(wú)線方式，BMS可以與主控單元以及其他車(chē)載設(shè)備，或者是云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)更智能化的管理。

由此不難看出，BMS就是對(duì)鋰電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、控制、反饋的一整套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是確保電池組高效和安全運(yùn)作不可或缺的一環(huán)。隨著鋰電池市場(chǎng)的快速發(fā)展，BMS的應(yīng)用版圖也在不斷擴(kuò)大，如何打造出適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展要求的BMS解決方案，也就成了一個(gè)核心課題。

圖1：通用汽車(chē)充電系統(tǒng)中，BMS是不可或缺的一環(huán)（圖源：Bourns）

BMS系統(tǒng)中的磁性元件

作為一個(gè)典型的功率電子系統(tǒng)，BMS的開(kāi)發(fā)中自然少不了磁性元件的支撐。

磁性元件雖然看上去不起眼，卻是功率電子系統(tǒng)重要的組成要素之一，它們通常由繞組和磁芯構(gòu)成，承擔(dān)著儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換及電氣隔離等工作。常見(jiàn)的磁性元件包括變壓器和電感器兩大類(lèi)，前者主要扮演變壓、濾波、儲(chǔ)能的角色，后者則承擔(dān)著平滑電源信號(hào)、解決EMI噪聲等任務(wù)。

想要開(kāi)發(fā)出一款優(yōu)秀的BMS方案，磁性元件的選型和應(yīng)用是少不了的功課。

結(jié)合BMS的典型應(yīng)用場(chǎng)景，比如車(chē)載動(dòng)力電池組中BMS（如圖1）的設(shè)計(jì)需求，我們可以大體描畫(huà)出BMS設(shè)計(jì)中理想磁性元件的樣子：

高效率.

1

通過(guò)先進(jìn)的材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝，實(shí)現(xiàn)超低的DC電阻，提供更高的效率，這是衡量磁性元件性能優(yōu)劣的一個(gè)硬指標(biāo)。

小型化.

2

更緊湊的外形，可滿足當(dāng)今功率電子系統(tǒng)更高頻率開(kāi)關(guān)的要求，且能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性增加、設(shè)計(jì)空間受限等挑戰(zhàn)。

低EMI噪聲.

3

磁性元件（如功率電感）工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生EMI噪聲，如何有效防止電磁波的“外泄”，是磁性元件設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要考量因素。

熱管理.

4

一方面要通過(guò)提升效率減小熱應(yīng)力的影響，另一方面要求元件自身具有更佳的溫度穩(wěn)定性，這對(duì)于功率系統(tǒng)整體的熱管理優(yōu)化大有裨益。

穩(wěn)健性和可靠性.

5

確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，更大限度地延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，這是鋰電池和BMS系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

安全性.

6

由于鋰電池系統(tǒng)會(huì)采用高壓電池，因此需要有更多安全性方面的考量（比如高壓和低壓域之間的可靠隔離），以避免人員或電路受到安全威脅。這就需要磁性元件在實(shí)現(xiàn)更緊湊設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要符合UL和IEC隔離、爬電距離和間隙等安全標(biāo)準(zhǔn)。

作為全球知名的元器件廠商，Bourns擁有超過(guò)50年的磁性元件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可提供包括變壓器、功率電感、大電流共模扼流圈等在內(nèi)非常豐富的磁性產(chǎn)品組合，滿足BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電源轉(zhuǎn)換、隔離、EMC、信號(hào)完整性和功率密度等規(guī)格要求。

在下文中，我們將向大家介紹三款來(lái)自Bourns的產(chǎn)品，借此一起探究高效、安全、可靠的功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該選擇什么樣的磁性元件。

SRP大電流功率電感器

功率電感器是穩(wěn)壓器拓?fù)渲械闹匾M件，在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)調(diào)節(jié)電源的電路都需要一個(gè)電感器，以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)能量、平順直流電源、濾除電路噪聲等作用。

具體到BMS的設(shè)計(jì)中，功率電感器的選型和應(yīng)用面臨著三方面的挑戰(zhàn)：首先，它需要能夠滿足更大功率的要求，支持更大的電流；其次，還要有抑制EMI的能力，滿足汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中嚴(yán)苛的EMC設(shè)計(jì)要求；再有，在外形上也要更為緊湊，為有限空間應(yīng)用設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。

按照上述的設(shè)計(jì)要求選型，Bourns SRP系列大電流功率電感器無(wú)疑是一個(gè)理想的選擇。歸納起來(lái)，SRP系列功率電感器的“過(guò)人之處”體現(xiàn)在：

具有獨(dú)特的磁屏蔽結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低EMI輻射，因此無(wú)需在電路系統(tǒng)中使用額外的屏蔽罩，節(jié)省空間和成本。

采用了扁平導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，有助于降低DCR電阻，實(shí)現(xiàn)更高的效率。

采用金屬合金粉末磁芯，支持大飽和電流，非常適合于大電流、高功率應(yīng)用。

同時(shí)，扁平導(dǎo)線和粉末磁芯，也有利于實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形，節(jié)省系統(tǒng)空間。

基于高溫分級(jí)材料制成，具有更出色的溫度穩(wěn)定性，支持高達(dá)150°C的工作溫度。

總而言之，SRP系列功率電感器采用了先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高效和超低DC電阻，以及緊湊高效的封裝（元件高度范圍從1mm至7mm），屏蔽式的設(shè)計(jì)還優(yōu)化了EMI特性——這對(duì)于BMS這種控制電路和功率電路毗鄰的設(shè)計(jì)，十分必要?？梢哉f(shuō)，SRP系列功率電感器集上述多種優(yōu)勢(shì)于一身，在BMS磁性元件選型時(shí)，是不可錯(cuò)過(guò)的一顆料。

高效高安全性的隔離變壓器

在BMS設(shè)計(jì)中，推挽式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器因其出色的特性——如更穩(wěn)定的輸入電流、更少的輸入線路噪聲，以及高功率應(yīng)用中的高效率——成為了一種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。想要實(shí)現(xiàn)推挽式低壓隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，一款高效而安全的推挽式變壓器肯定少不了。

Bourns符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的HCT系列電源變壓器，就是為此應(yīng)用而生的。

HCT系列變壓器具有3.3V至5V的輸入范圍，并提供3.3V至15V、高達(dá)350mA的輸出，可配置為各種匝數(shù)比。該系列電源變壓器采用鐵氧體環(huán)形磁芯，具有高耦合系數(shù)和高效率。

特別值得一提的是，由于采用了創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計(jì)，在緊湊的封裝中增加了電流路徑長(zhǎng)度，這種新型的電源變壓器雖然外形緊湊，外殼高度僅有6.5mm，卻可提供增強(qiáng)絕緣、至少8mm的電氣間隙/爬電距離，以及5kVAC的耐壓，能夠滿足高規(guī)格的高壓隔離要求。

圖4：HCT系列變壓器采用創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計(jì)，獲得了8mm的爬電距離（圖源：Bourns）

簡(jiǎn)而言之，HCT系列高壓隔離推挽變壓器符合AEC-Q200、IEC 60950-1、IEC 62368-1以及IEC 60664-1等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為BMS中需要低直流功率與高壓隔離的場(chǎng)景提供了一種理想解決方案。

高性能BMS信號(hào)變壓器

從BMS的工作原理來(lái)看，它需要將電池狀態(tài)、數(shù)據(jù)和命令通過(guò)有線接口與主控CPU進(jìn)行通信，這些數(shù)據(jù)和信息的交互，是BMS實(shí)現(xiàn)高效、可靠閉環(huán)控制的關(guān)鍵。不幸的是，鋰電池組的高電壓，加上應(yīng)用環(huán)境（如電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)）中存在的大量電磁干擾，都會(huì)對(duì)BMS數(shù)據(jù)通信造成不良影響。為了實(shí)現(xiàn)BMS與主控CPU之間的可靠通信，就需要能夠提供高壓隔離和EMI抑制的BMS信號(hào)變壓器登場(chǎng)了。

Bourns的SM91501ALBMS信號(hào)變壓器是一款雙通道隔離變壓器模塊，支持串行菊花鏈/isoSPI，具有1600VDC工作電壓，4300VDC隔離電壓和-40°C至+125°C的擴(kuò)展工作溫度范圍。該信號(hào)變壓器集成了用于噪聲抑制的共模扼流圈，能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的信號(hào)的完整性。

SM91501AL符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)和RoHS指令，并且已經(jīng)應(yīng)用在Analog Devices和NXP的多款BMS參考設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)了實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，有助于節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間并大幅降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

本文小結(jié)

在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，BMS市場(chǎng)將伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展，進(jìn)入一個(gè)快速上升通道，這也為相關(guān)的元器件帶來(lái)新的商機(jī)。對(duì)于功率電子系統(tǒng)中不可或缺的磁性元件，更是如此。

當(dāng)然，能夠搭上BMS市場(chǎng)快車(chē)的磁性元件產(chǎn)品，需要滿足一系列特殊的設(shè)計(jì)要求，在效率、熱性能、EMI特性、小型化設(shè)計(jì)、可靠性和安全性等方面，必須有異于通用產(chǎn)品的突出優(yōu)勢(shì)。

Bourns依托數(shù)十年的專(zhuān)業(yè)積累，可以為BMS設(shè)計(jì)提供完整的磁性元件產(chǎn)品組合。通過(guò)本文的介紹，你應(yīng)該能夠體會(huì)到：想要開(kāi)發(fā)出高效、安全、可靠，具有競(jìng)爭(zhēng)力的BMS產(chǎn)品，從中選出你心儀的物料，就對(duì)了！

審核編輯：劉清