新能源汽車最核心和最貴的兩個(gè)器件是 IGBT 和電芯，圍繞這兩個(gè)器件其實(shí)在三電系統(tǒng)檢測(cè)和保護(hù)中芯片起到了很大的作用，隨著汽車內(nèi)電壓從 12V、48V、200V+、400V+最后到 800V，監(jiān)測(cè)和保護(hù)的芯片電路的功能重要性也越來(lái)越重要。當(dāng)然這部分成本在 BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。
01、不同的電壓組合
從整體的演進(jìn)路線，目前主要汽車?yán)锩嬗蓡我坏碾妷旱燃?jí) 12V 開(kāi)始逐步往多個(gè)電壓轉(zhuǎn)變，主要發(fā)展方向?yàn)椋?br>
1）混合動(dòng)力 12V+48V：采用兩顆電池，一般是 12VAGM 電池和 48V 鋰電池作為搭配。
2）混合動(dòng)力 12V+HV：采用兩顆電池，12VAGM 鉛酸電池和高壓鋰電池作為組合
3）電氣化：主要包含 12V+HV、12V+48V+12V 和 HV+48V（目前這種設(shè)計(jì)并不存在，只是演進(jìn)的方向） 這里值得一提的是 48V 電源供電設(shè)計(jì)，48V 電壓平臺(tái)通常用于為需要更高功率的負(fù)載供電，連接到 48 V 電壓平臺(tái)上的 ECU 都需要高效，高功率密度且能夠承受 ISO 21780 中規(guī)定的工作電壓要求的電源管理設(shè)備。可以使用降壓穩(wěn)壓器，三相柵極驅(qū)動(dòng)器和電池管理系統(tǒng)之類的產(chǎn)品，配合電流和電壓檢測(cè)放大器產(chǎn)品組合。
02、電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過(guò)保證電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，從硬件結(jié)構(gòu)上,電池管理系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器、高低壓線束等組成，從硬件結(jié)構(gòu)上來(lái)看，它有以下的功能模塊：
1）電池參數(shù)檢測(cè)（傳感器層）：包括電池系統(tǒng)總電壓、總電流、單體電池電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧探測(cè)、絕緣檢測(cè)、碰撞檢測(cè)等。
2）接觸器控制與電池安全保護(hù)（執(zhí)行層）：電池管理系統(tǒng)具備驅(qū)動(dòng)接觸器的電路和診斷接觸器各個(gè)高壓節(jié)點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)，接觸器在實(shí)際情況下是集成在智能斷開(kāi)盒中的。
3）MCU 計(jì)算核心：這部分是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的算法，這部分也是電池系統(tǒng)作為一個(gè)整車控制器實(shí)現(xiàn)既定的功能安全目標(biāo)最為基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)。
4）均衡電路：整個(gè)電池系統(tǒng)的不一致性直接影響電池系統(tǒng)地實(shí)際可用容量，這個(gè)不一致性會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)行累積。目前隨著電池進(jìn)入 200Ah 的時(shí)代，均衡的作用和能力進(jìn)入一個(gè)微妙的時(shí)代。
5）電源管理電路和 EMC 抑制：電池管理系統(tǒng)從電池模組和 12V 電池上驅(qū)電，通過(guò)合理的保護(hù)電路來(lái)管控不同節(jié)點(diǎn)的電源情況。
6）網(wǎng)絡(luò)通訊和喚醒電路：電池管理系統(tǒng)是需要與整車動(dòng)力總成、車身網(wǎng)絡(luò)等整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，也需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理和喚醒休眠管理。
7）信息存儲(chǔ)單元：用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，比如在整個(gè)生命周期內(nèi)客戶使用的情況，這部分核心內(nèi)容是記錄電池系統(tǒng)超出預(yù)期的濫用數(shù)據(jù)的時(shí)間和頻次。
隨著域控制器的引入，BMS 內(nèi)存儲(chǔ)信息，主要是以 FOTA 的要求為主，存數(shù)據(jù)倒不是重要的事情。 如下圖所示，想要完成一個(gè)大的完整的電池管理系統(tǒng)在一塊電路板上面，其硬件和軟件的復(fù)雜度，特別是高低壓混合的情況比較突出，外圍的高低壓線束使得整個(gè)電池管理系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上難以實(shí)現(xiàn)。
圖 1 電池管理系統(tǒng)的硬件基本框架
圖 2 某個(gè)典型的 BMS 電路，后續(xù)會(huì)拆解分析
03、電池系統(tǒng)和充電里面的芯片進(jìn)化特點(diǎn)
如何提高電池管理系統(tǒng)的可靠性？
電池的 AFE 檢測(cè)芯片，以德州儀器 (TI) BQ79606A-Q1 為例，主要的設(shè)計(jì)方向是在芯片層面提高芯片的功能安全等級(jí)和可靠性。高度集成的 BQ79606A-Q1 可精確監(jiān)控溫度和電壓水平，有助于最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命和上路時(shí)間。此外，BQ79606A-Q1 電池監(jiān)控器具有安全狀態(tài)通信功能，可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員滿足汽車安全完整性等級(jí) D（ASIL-D）的要求。這是 ISO 26262 道路車輛標(biāo)準(zhǔn)定義的最高功能安全目標(biāo)。 目前 AFE 方面，在電壓檢測(cè)，溫度檢測(cè)和通訊功能達(dá)到汽車安全完整性等級(jí) ASIL-D。 在通信方面，AFE 占據(jù)主要的功能，從之前的 CAN 大部分企業(yè)都逐步過(guò)渡到的菊花鏈的通信方式，在菊花鏈的環(huán)體系結(jié)構(gòu)，即使在一端通訊電纜斷開(kāi)的情況下,也可以通過(guò)反向通訊保證所有電池模組的通訊。
圖 3 菊花鏈通信方式
在設(shè)計(jì)方面中，無(wú)需外部齊納二極管也可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的熱插拔性能。目前電池系統(tǒng)需要優(yōu)化低溫下的充電 / 放電性能，并確保高溫下電池保持在安全的工作區(qū)域內(nèi)。為了應(yīng)用適當(dāng)?shù)臒峁芾聿呗裕斜匾陔姵?/ 電池組水平上進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓和溫度感測(cè)（BQ79606A-Q1）。這些可能需要在冷啟動(dòng)條件下進(jìn)行預(yù)熱，并在較高溫度下進(jìn)行冷卻。
小結(jié)：這幾年 BMS 的發(fā)展，主要還是在 AFE 芯片的優(yōu)化上，本身 BMS 本體的功能發(fā)展還是比較有限的，隨著 BMS 和域控制器的迭代發(fā)展，這方面的特點(diǎn)會(huì)越來(lái)越明顯。作為模擬芯片老大，TI 近些年不斷推出相關(guān)的車規(guī)級(jí)產(chǎn)品和參考設(shè)計(jì)，比如上文提到的 BQ79606A-Q1 和基于該產(chǎn)品的可擴(kuò)展的 6s 至 96s 鋰電池監(jiān)控演示器參考設(shè)計(jì)，并且還在不斷研發(fā)新一代產(chǎn)品，加速這個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新迭代過(guò)程。另外說(shuō)個(gè)題外話， 最近看到了許多 TI 針對(duì)于汽車市場(chǎng)的宣傳活動(dòng)，可見(jiàn)其對(duì)汽車領(lǐng)域的重視。 |
