電動汽車電池管理系統(tǒng)

電動汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車中用于監(jiān)測和管理電池系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組件，它有助于平衡電池電量，防止過度充電和過度放電，從而確保鋰離子電池的安全、可靠和有效運行，同時優(yōu)化電池的整體效率和壽命。

電動汽車BMS分為兩類，即低壓（LV）和高壓（HV）。低壓電池管理系統(tǒng)（LVBMS）主要用于≤30VAC和≤60VDC的兩輪和三輪電動車輛中。高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）則是針對≤600VAC和≤900VDC或者≤1,000VAC和≤1,500 VDC的四輪電動汽車（EV）的電池監(jiān)測需求而設(shè)計，尤其是在快速充電過程中，在確保電池的健康和安全方面起著至關(guān)重要的作用。通過主動監(jiān)測和評估電動汽車電池的SOC（充電狀態(tài)）、SOH（健康狀態(tài)）和溫度狀態(tài)（SOT），HVBMS可有效防止電池出現(xiàn)熱失控，并極大限度地提高效率和性能。

電動汽車四個常用BMS拓撲結(jié)構(gòu)

汽車BMS必須具有電壓、溫度、電流、電池充電狀態(tài)監(jiān)測以及鋰離子電池的電量平衡等關(guān)鍵功能。按照體系結(jié)構(gòu)劃分，市場上常用的電動汽車BMS主要有以下四種類型：

BMS的主要類型

集中式BMS

單個控制器管理所有電池單元和模塊。雖然這種設(shè)計簡化了管理，但它可能會限制更大電池系統(tǒng)的可擴展性，并有引入單點故障的可能性。

分布式BMS

多個控制器跨特定模塊或電池組運行，這種可擴展的設(shè)計通過內(nèi)置冗余增強了系統(tǒng)的可靠性，對需要單獨監(jiān)控的大型電池非常有效。

模塊化BMS

系統(tǒng)中的每個單元都是獨立的，都能夠自主操作。這種可擴展的配置非常有助于電池尺寸的靈活變化，設(shè)計者可根據(jù)需要輕松添加或移除部分BMS模塊。

混合式BMS

將集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，混合式BMS采用中央控制器進行全面管理，同時采用模塊化的本地控制器進行詳細的電池監(jiān)測和控制，這種結(jié)構(gòu)可提供全面的系統(tǒng)管理和細粒度控制功能。

特斯拉Model S采用的是集中式BMS拓撲結(jié)構(gòu)，并帶有一個處理電池數(shù)據(jù)的控制器，這種模式確保了高效的充電和放電循環(huán)以及極大的行駛里程和電池的完整性。特斯拉的Model 3和Model Y電動汽車同樣采用了先進的BMS設(shè)計來優(yōu)化電池組性能。而Model Y電動汽車因包含一個帶有4680電芯的結(jié)構(gòu)化電池包，意味著它正在向更集成的CTB（電池到車身）目標過渡。

日產(chǎn)汽車的Leaf采用分布式BMS拓撲結(jié)構(gòu)，每個電池模塊由單獨的控制器管理。與集中式BMS相比，這種設(shè)置通過在模塊級別提供精確的管理，提高了整個系統(tǒng)的效率和安全性。

寶馬i3采用的是模塊化BMS架構(gòu)，電池組被分為不同的模塊，每個模塊都有自己的BMS，這些單獨的模塊可以獨立維修。

快速增長的BMS芯片需求量

汽車電動化正在全球主要市場加速發(fā)展。用于車載充電器、逆變器和直流-直流轉(zhuǎn)換器的硅（Si）和碳化硅（SiC）器件在電動汽車的運行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并在汽車的半導(dǎo)體價值中占很大比例。逆變器等大功率電子元件在制造電動汽車的價值中占據(jù)了相當(dāng)大的份額。但IDTechEx在“2023-2033年自動駕駛和電動汽車用半導(dǎo)體”報告中將視角深入到了單個芯片和晶圓的層面，他們從中發(fā)現(xiàn)，BMS正在成為當(dāng)下電動汽車中半導(dǎo)體元器件需求量的主要貢獻者。

在電池管理系統(tǒng)中，有兩種主要類型的芯片，一種是做出重大決策的主控制器，另一種就是負責(zé)電池組中電池監(jiān)測和平衡的芯片（BMB IC）。這些BMB IC從電池組的傳感器中收集信息，并將信息發(fā)送到主控制器，然后由主控制器發(fā)出采取行動的指令，比如在電池過熱時打開冷卻器。通常，每個BMB IC可監(jiān)測10-20個電芯，一輛電動汽車的電池組往往由數(shù)千個電芯組成，因此，整個電池組中將包含數(shù)量可觀的BMB IC。

為此，IDTechEx在其研究報告中指出，電池管理系統(tǒng)現(xiàn)在能占到電動汽車電力系統(tǒng)中硅需求量的約三分之一。這一點同樣可從Mordor Intelligence的分析報告中得到印證。Mordor Intelligence認為，電動汽車電池管理系統(tǒng)市場規(guī)模預(yù)計將從2023年的88.1億美元快速增長到2028年的377.1億美元，2023年-2028年的復(fù)合年增長率預(yù)期高達33.76%。

另據(jù)Yole Intelligence的分析和預(yù)測，2028年，全球乘用車和輕型商用車市場將達到9,300萬輛，其中xEV的市場份額為53.5%。2022年至2028年，純電動汽車的復(fù)合年增長率達到22.1%。伴隨著這一巨大增長，包括純電動汽車和PHEV在內(nèi)的電動汽車BMS實現(xiàn)了快速擴張，BMS的市場總額將從2022年的50億美元增至2028年的119億美元，復(fù)合年增長率為15.6%。增長預(yù)期雖然沒有Mordor Intelligence預(yù)測的那么高，但同樣雙位數(shù)的增長讓人們對這一市場充滿了期待。

具體細分到BMS的關(guān)鍵組件，AFE（模擬前端）市場將從2022年的9.3億美元增長到2028年的22.4億美元，微控制器市場將從2020年的5.8億美元增長到2028的13.4億美元，各種傳感器包括溫度、電流、壓力、加速度等市場將由2022年的14.6億美元增長至2028年的35億美元。

目前，電動汽車電池管理系統(tǒng)市場的參與者眾多，主要由Renesas、NXP、Infineon、Keihin、TE Connectivity、ADI等幾家關(guān)鍵公司主導(dǎo)。

如何打造高效優(yōu)質(zhì)的BMS方案？

為了確保電動汽車中整個電池系統(tǒng)在使用壽命內(nèi)的安全性和高性能，選擇正確的BMS組件至關(guān)重要。它可以極大限度地提高鋰離子電池的續(xù)航里程和使用壽命，使得汽車制造商在激烈的市場競爭中脫穎而出。

在實際應(yīng)用中，我們很難說哪一款HVBMS架構(gòu)或參考設(shè)計能夠適合所有應(yīng)用，滿足所有汽車制造商的需求。不過，在方案選擇過程中有一點應(yīng)作為重點來考慮，那就是任何參考設(shè)計都必須足夠靈活，以適應(yīng)所有可能的未來架構(gòu)。比如，需要解決從400V到1,000+V的不同系統(tǒng)電壓，以及即將推出的用于可切換800V充電和400V驅(qū)動的2 x 400V混合動力配置等。

BMS由電池管理單元（BMU）、電池監(jiān)測單元（CMU）和電池接線盒（BJB）3個模塊組成，如何在作為系統(tǒng)大腦的BMU、CMU和BJB子系統(tǒng)之間建立BMS內(nèi)部通信也需要設(shè)計人員在選擇方案時做出仔細評估。

NXP的可擴展高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）參考設(shè)計，包含了BMU、CMU和BJB全部三個模塊。

BMU

其中，BMU采用符合ASIL D安全標準的 S32K3微控制器（MCU）系列。BMU中的MCU和其他組件由FS26 SBC供電，以實現(xiàn)系統(tǒng)級的強大電源管理。RD-K344 BMU開發(fā)板包含了S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等多個NXP的器件，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型；對于電池內(nèi)部通信，該參考設(shè)計提供了兩種可能的架構(gòu)：隔離電氣傳輸協(xié)議鏈路（ETPL）或CAN/CAN FD。

CMU

CMU的參考設(shè)計板中具有四個新ASIL D兼容電池控制器（BCC），可共同監(jiān)測和平衡多達56個電池。因使用了電容耦合來隔離板載通信，故多個板可通過菊花鏈連接，以將電池單元數(shù)擴展到高達800V的系統(tǒng)，具有極強的可擴展性。RD33775ACNTEVB是具有ETPL通信的集中式CMU參考設(shè)計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的4個MC33775A模擬前端（AFE）。

BJB

BJB的設(shè)計中采用了兩個新MC33772C IC，這是一款面向電動汽車應(yīng)用的6通道鋰離子電池控制器IC，可冗余測量電池組電流和幾個高電壓。BJB還可以在沒有MCU交互的情況下執(zhí)行庫侖計數(shù)，以實現(xiàn)高精度的電荷狀態(tài)和函數(shù)狀態(tài)計算。

圖4：HVBMS 400V ETPL架構(gòu)方框圖
（圖源：NXP）

盡管目前道路上的大多數(shù)純電動汽車使用的是400V電池，但總體趨勢將逐漸轉(zhuǎn)向800V電池架構(gòu)。在800V高電壓下運行的純電動汽車，其充電時間要短得多，更滿足消費者的需求。未來5年，越來越多的汽車制造商將推出800V架構(gòu)車型。

NXP的RD-HVBMSCT800BUN是800V高壓電池管理系統(tǒng)（HVBMS）的參考設(shè)計套件。它提供了完整的硬件解決方案，包括RD-K358 BMU、RD33774CNT3EVB電芯監(jiān)測單元（CMU）和RD772BJBTPL8EVB電池接線盒（BJB）以及軟件驅(qū)動程序和可擴展的功能安全文檔。汽車制造商、供應(yīng)商和軟件生態(tài)體系合作伙伴可以使用該套件直接進行開發(fā)、測試和展示。

圖5：800V高壓電池管理系統(tǒng)RD-HVBMSCT800BUN設(shè)計套件包含BMU、CMU和BJB全部三個子模塊
（圖源：NXP）

德州儀器（TI）ADS131B24-Q1是一款可用于電動汽車HVBMS的電壓、電流和溫度檢測的產(chǎn)品，有很高的集成度，包括：兩個同步采樣、高精度的24位ADC 通道（ADC1A、ADC1B），可使用外部分流電阻以高分辨率和高精度測量電池電流；兩個獨立的數(shù)字比較器，可與兩個ADC并聯(lián)來實現(xiàn)快速過流檢測；還集成了兩個多路復(fù)用的16位ADC通道（ADC2A、ADC2B），可使用外部高壓電阻分壓器來測量分流器溫度和系統(tǒng)中的其它電壓，例如電池組電壓。分流器溫度通過熱敏電阻或模擬輸出溫度傳感器等外部溫度傳感器進行測量。

此外，每個ADC都配備了一個通道序列發(fā)生器，后者會自動逐步調(diào)試配置的多路復(fù)用器輸入，以減少串行外設(shè)接口（SPI）上的通信。ADS131B24-Q1集成的多種監(jiān)測和診斷功能，可緩解和檢測隨機硬件故障，非常有助于開發(fā)安全高效的電動汽車BMS。

圖6：基于ADS131B24-Q1的電動汽車電池組監(jiān)測系統(tǒng)方框圖（圖源：TI）

展望HVBMS的未來

在全球范圍內(nèi)，汽車電氣化的趨勢不斷加速。到2028年，全球輕型汽車市場預(yù)計將達到9,300萬輛，xEV占據(jù)53.5%的市場份額。其中，純電動汽車在市場增長中處于領(lǐng)先地位，2022年至2028年的復(fù)合年增長率達到22.1%，而同期xEV的整體年增長率則為16.7%。