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详解电动汽车电池管理方案

文章出处:科技导报 发布时间: 2017/05/15 | 628 次阅读

电池管理系统(BMS)是一个本世纪才诞生的新产品,因为电化学反应的难以控制和材料在这个过程中性能变化的难以捉摸,所以才需要这么一个管家来时刻监督、调整、限制电池组的行为,以保障使用安全,其主要功能为:

1. 实时监测电池状态。通过检测电池的外特性参数(如电压、电流、温度等),采用适当的算法,实现电池内部状态(如容量和SOC等)的估算和监控,这是电池管理系统有效运行的基础和关键;

2. 在正确获取电池的状态后进行热管理、电池均衡管理、充放电管理、故障报警等;

3. 建立通信总线,与显示系统、整车控制器和充电机等实现数据交换。

电池管理系统(BMS)主要分为两部分,第一部分是前端模拟测量保护电路(AFE),包括电池电压转换与量测电路、电池平衡驱动电路、开关驱动电路、电流量测、通讯电路;第二部分是后端数据处理模块,就是依据电压、电流、温度等前端计算,并将必要的信息通过通信接口回传给系统做出控制。

目前的电池管理系统(BMS)产品设计方案,被国外厂商垄断,都选用国外半导体IC厂商提供的电池管理IC,并以其应用方案为参考进行设计。

MaximLinear Technology(已被ADI收购)、Intersil、TI、ADI、NXP是主要方案提供商。

Maxim方案

Maxim系列产品构建完备的12节电池监测方案,Maxim的电池监测器(MAX172XX等系列)、电池保护器(DS277X系列)以及电池选择器(MAX1538)能够有效延长电池工作寿命,确保安全、可靠的系统工作。其系列高压器件有助于实现向低碳能源方案的转变,器件集成了先进的功能,可降低电池管理系统的尺寸、成本和设计复杂度。消费者则可获得更高的系统可靠性、更长的电池使用时间和更快的产品上市时间。

Maxim方案特点:

1.极大地简化了多节电池组的设计。器件包含12个测量通道,采用电容隔离式阶梯形SMBus通信总线,大大减少了元件数量,降低成本。这种独特的架构允许连接多达31个器件至串联电池组,对多达372节电池进行监测。基于电容的接口提供了成本极低的电池组间隔离,消除了级联电气故障。

2.具有优异性能,Maxim的高压、小尺寸BiCMOS工艺具有业内最高耐压(80V)和优异的ESD保护(±2kV,人体模式)以及热插拔功能,在较宽的工作温度范围内确保符合AEC-Q100标准,保持高度可靠性。

3.模拟前端包含12通道电压测量数据采集系统和一组高压、带故障容错的开关输入。高速、12位ADC对测试的电池电压进行数字化。采用两相扫描技术,获取电池测量数据并修正误差,该技术可同时测量电池电压,在10μs内完成全部120节电池的电压测量采样,即使在嘈杂系统中也能确保优异的精度。在整个电池标称工作温度范围内误差小于±0.25%,在整个AEC-Q100 2类温度范围内误差小于±20mV。

4.可将功耗降低10倍(工作模式下电流为100μA),以延长电池使用时间。独特的内置关断电路将功耗降至极低水平(漏电流仅为1μA),使电池可以保存若干年,而不损耗电池电量。

5.针对汽车应用优化设计,Maxim方案内部具有配置和自诊断模式,这对于安全监测系统的工作至关重要,能够在存在磁场和瞬态噪声的恶劣环境下确保无故障工作。Maxim采用大电流注入、带状线和车内监测等多种方式对IC进行全面测试,确保在具有强瞬态电信号和磁场干扰的电池组中可靠工作。器件具有FMEA标准规定的引脚开路和短路故障检测功能,并能够处理内部电路故障。

Maxim方案图

一文掌握电动汽车电池管理方案

Linear Technology方案

Linear technology的多节电池、高电压电池组监视器系列是完整的电池监视 IC,它们内置了 12 位 ADC、精准的电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。可以把这些器件串联起来 (无需使用光耦合器或光隔离器) 以监视到长串联接电池中每节电池。

Linear Technology的LTC6804-1 / LTC6804-2 - 多节电池的电池组监视器,专为汽车和运输应用,特定封装的 AEC-Q100 数据。

方案特点:

1.可测量多达 12 个串联电池的电压,可堆叠式架构能支持几百个电池

2.内置 isoSPITM 接口: 1Mbps 隔离式串行通信,采用单根双绞线,长达 100 米, 低 EMI 敏感度和辐射

3. 1.2mV 最大总测量误差,可在 290μs 内完成系统中所有电池的测量:同步的电压和电流测量

4. 具频率可编程三阶噪声滤波器的 16 位增量累加 (ΔΣ) 型 ADC

5. 针对 ISO26262 标准的系统工程设计,具可编程定时器的被动电池电荷平衡

6. 5 个通用的数字 I/O 或模拟输入: 温度或其他传感器输入,可配置为一个 I2C或 SPI 主控器

7. 4μA 睡眠模式电源电流

Linear Technology方案应用图

一文掌握电动汽车电池管理方案

Intersil方案

Intersi 的ISL78600锂离子电池管理器集成电路监督多达12串联连接的电池。提供准确的监测,电池均衡和广泛的系统诊断功能。三种电池平衡模式结合-手动均衡模式,定时平衡模式和自动平衡模式。自动均衡模式下终止时表示由主机微控制器规定的电荷转移的价值已经达到了平衡作用。

Intersil的HEV/EV解决方案保证了客户遵从ISO26262 (ASIL) 规范,防止电池组出现故障。该解决方案还对所有主要内部功能提供了内置的故障检测,而且能够检测外部故障,例如线路中断、过电压和低电压,以及温度和电池平衡故障。

Intersil电池管理系统为精确的充电状态测量提供了所需的高精确度,从而延长车辆行驶里程和高性能锂离子电池的寿命。为了做到这一点,每个芯片都采用一个14位温度补偿式的数据转换器,可在250微秒内扫描12个通道。

为了使系统内的通信尽可能达到最高的可靠性,Intersil电池管理器采用高抗噪和瞬态容错通信机制。这种全差分菊链架构允许使用低成本的双绞线将多个电池组堆叠在一起,同时防止热插拔和较高的瞬态电压。Intersil 解决方案的优点可显著降低电池管理系统的总体成本。

ISL78600允许通过2.5MHz SPI或400KHz I2C接口轻松地连接微控制器,并且可在-40°C至+105°C的温度范围内运行。

Intersil电池管理系统(BMS)方案图

一文掌握电动汽车电池管理方案

TI方案

TI提供锂离子电池监控(适合3-16节串联电池)、电池保护、认证和外设 IC 的多功能组合。监控器采集重要电池参数,如电压、电流和温度,并将这些信息转发给微控制器。电池保护器检测从简单(仅过压)到高级(检测更多故障)的多种故障条件,如过压、欠压、放电过流和短路。认证和识别 IC 提供针对电池组和配件(如充电电缆和打印机墨盒)的安全认证或识别。电池外设 IC 可通过先进技术(如主动电池平衡(ACB) 技术)大幅扩充电池组的容量。

方案特点:

TI推荐电动车所采用的主动均衡方式:每个电池芯藉由矩阵开关控制变压器与充电线路的组合,形成一个有调整功能的电压/电流「蓄水池」的功能,当电池芯由于多次充放电后产生不一致性而导致整组电池充放电容量下降,可藉由后端连接蓄水池的线路做调整,充电时不会因为监控到某个电池芯内压过高而停止充电,放电时也可以完全的100%的释放能源,进而延长电动车的行驶距离。

TI在隔离式DC-DC主动均衡技术的能源转换效率高达87%。像EM1410芯片组由5颗核心芯片加上5颗电源供应芯片所组成,其中最主要的 EMB1432为十四信道AFE芯片、EMB1428为七信道闸控制器芯片,与EMB1499为七信道电压控制芯片等,来建构十四通道双向主动式电池芯均衡功能,串联14颗电池芯与最高60V工作电压,提供5V双向均衡电压与最大750V堆栈输出电压能力,并满足AECQ-100车用电子验证标准。

德州仪器 (TI)电池管理系统(BMS)方案图

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ADI 方案

ADI的AD7280A 内置对电动汽车所用叠层锂离子电池进行通用监控所需的全部功能。该器件具有多路复用电池电压和辅助ADC测量通道,可用于最多6个电池的电池管理。同时提供±3 ppm内部基准电压,使电池电压精度可达±1.6 mV。ADC分辨率为12位,转换48个单元只需7 μs时间。

AD7280A采用单VDD电源供电,电源电压范围为8 V至30 V(绝对最大额定值为33 V)。该器件提供六个差分模拟输入通道,以处理整个VDD范围内的大共模信号。各通道允许的输入信号范围(VIN(+)至VIN(-))为1 V至5 V。输入引脚可接受六个串联叠置的电池。此外器件内置六个辅助ADC输入通道,可用于温度测量或系统诊断。

AD7280A内置片内寄存器,可根据应用要求对通道测量的时序进行编程。另外还内置动态提醒功能,可检测电池电压或辅助ADC输入是否超出用户定义的上限或下限。AD7280A具有电池平衡接口输出,用来控制外部FET晶体管,允许各电池放电。

AD7280A内置的自测功能可在内部将一个已知电压施加于ADC输入。利用菊花链接口,最多可将八个器件堆叠起来,而无需单独的器件隔离。

AD7280A仅需一个电源引脚,正常工作条件下的功耗为6.5 mA,转换速率为1 MSPS。

ADI 电池管理系统(BMS)方案图

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NXP 方案

世平集团推出基于 NXP 芯片的汽车 BMS 电池管理系统解决方案, 可监测单节电池的电压、温度, 监测整串的电压、电流、温度。

方案规格:

监测单节电池的电压、温度

监测整串的电压、电流、温度

单节电池间被动均衡功能

电池包间CAN 总线或者菊花链连接

带有多种保护和诊断功能

单颗 MC33771可监测 8- 14 串电池

内置被动均衡 MOSFET,最大支持300 mA 被动均衡电流

内置库伦计,用于电流检测

ASIL C 芯片功能安全等级

最高支持 15 颗 MC33771 级联

检测精度 2mV

支持 43 种内部自检测功能

65 us 内同步测量电压电流

功能框图:

一文掌握电动汽车电池管理方案

技术先进、产品稳定可靠是这六家国外公司电池管理产品的核心特点,从技术、功能、品质、标准规范四个维度阐释了他们的竞争力。

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