電池管理系統(tǒng)(BMS)是一個本世紀才誕生的新產(chǎn)品,因為電化學(xué)反應(yīng)的難以控制和材料在這個過程中性能變化的難以捉摸,所以才需要這么一個管家來時刻監(jiān)督、調(diào)整、限制電池組的行為,以保障使用安全,其主要功能為:
1. 實時監(jiān)測電池狀態(tài)。通過檢測電池的外特性參數(shù)(如電壓、電流、溫度等),采用適當?shù)乃惴ǎ瑢崿F(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)(如容量和SOC等)的估算和監(jiān)控,這是電池管理系統(tǒng)有效運行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵;
2. 在正確獲取電池的狀態(tài)后進行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警等;
3. 建立通信總線,與顯示系統(tǒng)、整車控制器和充電機等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
電池管理系統(tǒng)(BMS)主要分為兩部分,第一部分是前端模擬測量保護電路 (AFE),包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測電路、電池平衡驅(qū)動電路、開關(guān)驅(qū)動電路、電流量測、通訊電路;第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊,就是依據(jù)電壓、電流、溫度 等前端計算,并將必要的信息通過通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。
目前電動汽車的電池管理系統(tǒng)(BMS)產(chǎn)品設(shè)計方案,被國外廠商壟斷,都選用國外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理IC,并以其應(yīng)用方案為參考進行設(shè)計。
Maxim、Linear Technology(已被ADI收購)、Intersil、TI、ADI、NXP是主要方案提供商。
Maxim方案
Maxim系列產(chǎn)品構(gòu)建完備的12節(jié)電池監(jiān)測方案,Maxim的電池監(jiān)測器(MAX172XX等系列)、電池保護器(DS277X系列)以及電池選擇器(MAX1538)能夠有效延長電池工作壽命,確保安全、可靠的系統(tǒng)工作。其系列高壓器件有助于實現(xiàn)向低碳能源方案的轉(zhuǎn)變,器件集成了先進的功能,可降低電池管理系統(tǒng)的尺寸、成本和設(shè)計復(fù)雜度。消費者則可獲得更高的系統(tǒng)可靠性、更長的電池使用時間和更快的產(chǎn)品上市時間。
Maxim方案特點:
1.極大地簡化了多節(jié)電池組的設(shè)計。器件包含12個測量通道,采用電容隔離式階梯形SMBus通信總線,大大減少了元件數(shù)量,降低成本。這種獨特的架構(gòu)允許連接多達31個器件至串聯(lián)電池組,對多達372節(jié)電池進行監(jiān)測?;陔娙莸慕涌谔峁┝顺杀緲O低的電池組間隔離,消除了級聯(lián)電氣故障。
2.具有優(yōu)異性能,Maxim的高壓、小尺寸BiCMOS工藝具有業(yè)內(nèi)最高耐壓(80V)和優(yōu)異的ESD保護(±2kV,人體模式)以及熱插拔功能,在較寬的工作溫度范圍內(nèi)確保符合AEC-Q100標準,保持高度可靠性。
3.模擬前端包含12通道電壓測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一組高壓、帶故障容錯的開關(guān)輸入。高速、12位ADC對測試的電池電壓進行數(shù)字化。采用兩相掃描技術(shù),獲取電池測量數(shù)據(jù)并修正誤差,該技術(shù)可同時測量電池電壓,在10μs內(nèi)完成全部120節(jié)電池的電壓測量采樣,即使在嘈雜系統(tǒng)中也能確保優(yōu)異的精度。在整個電池標稱工作溫度范圍內(nèi)誤差小于±0.25%,在整個AEC-Q100 2類溫度范圍內(nèi)誤差小于±20mV。
4.可將功耗降低10倍(工作模式下電流為100μA),以延長電池使用時間。獨特的內(nèi)置關(guān)斷電路將功耗降至極低水平(漏電流僅為1μA),使電池可以保存若干年,而不損耗電池電量。
5.針對汽車應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計,Maxim方案內(nèi)部具有配置和自診斷模式,這對于安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作至關(guān)重要,能夠在存在磁場和瞬態(tài)噪聲的惡劣環(huán)境下確保無故障工作。Maxim采用大電流注入、帶狀線和車內(nèi)監(jiān)測等多種方式對IC進行全面測試,確保在具有強瞬態(tài)電信號和磁場干擾的電動車電池組中可靠工作。器件具有FMEA標準規(guī)定的引腳開路和短路故障檢測功能,并能夠處理內(nèi)部電路故障。
Maxim方案圖
Linear Technology方案
Linear technology的多節(jié)電池、高電壓電池組監(jiān)視器系列是完整的電池監(jiān)視 IC,它們內(nèi)置了 12 位 ADC、精準的電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口??梢园堰@些器件串聯(lián)起來 (無需使用光耦合器或光隔離器) 以監(jiān)視到長串聯(lián)接電池中每節(jié)電池。
Linear Technology的LTC6804-1 / LTC6804-2 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器,專為汽車和運輸應(yīng)用,特定封裝的 AEC-Q100 數(shù)據(jù)。
方案特點:
1.可測量多達 12 個串聯(lián)電池的電壓,可堆疊式架構(gòu)能支持幾百個電池
2.內(nèi)置 isoSPITM 接口: 1Mbps 隔離式串行通信,采用單根雙絞線,長達 100 米, 低 EMI 敏感度和輻射
3. 1.2mV 最大總測量誤差,可在 290μs 內(nèi)完成系統(tǒng)中所有電池的測量:同步的電壓和電流測量
4. 具頻率可編程三階噪聲濾波器的 16 位增量累加 (ΔΣ) 型 ADC
5. 針對 ISO26262 標準的系統(tǒng)工程設(shè)計,具可編程定時器的被動電池電荷平衡
6. 5 個通用的數(shù)字 I/O 或模擬輸入: 溫度或其他傳感器輸入,可配置為一個 I2C或 SPI 主控器
7. 4μA 睡眠模式電源電流
Linear Technology方案應(yīng)用圖
Intersil方案
Intersi 的ISL78600鋰離子電池管理器集成電路監(jiān)督多達12串聯(lián)連接的電池。提供準確的監(jiān)測,電池均衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。三種電池平衡模式結(jié)合-手動均衡模式,定時平衡模式和自動平衡模式。自動均衡模式下終止時表示由主機微控制器規(guī)定的電荷轉(zhuǎn)移的價值已經(jīng)達到了平衡作用。
Intersil的HEV/EV解決方案保證了客戶遵從ISO26262 (ASIL) 規(guī)范,防止電池組出現(xiàn)故障。該解決方案還對所有主要內(nèi)部功能提供了內(nèi)置的故障檢測,而且能夠檢測外部故障,例如線路中斷、過電壓和低電壓,以及溫度和電池平衡故障。
Intersil電池管理系統(tǒng)為精確的充電狀態(tài)測量提供了所需的高精確度,從而延長車輛行駛里程和高性能鋰離子電池的壽命。為了做到這一點,每個芯片都采用一個14位溫度補償式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,可在250微秒內(nèi)掃描12個通道。
為了使系統(tǒng)內(nèi)的通信盡可能達到最高的可靠性,Intersil電池管理器采用高抗噪和瞬態(tài)容錯通信機制。這種全差分菊鏈架構(gòu)允許使用低成本的雙絞線將多個電池組堆疊在一起,同時防止熱插拔和較高的瞬態(tài)電壓。Intersil 解決方案的優(yōu)點可顯著降低電池管理系統(tǒng)的總體成本。
ISL78600允許通過2.5MHz SPI或400KHz I2C接口輕松地連接微控制器,并且可在-40°C至+105°C的溫度范圍內(nèi)運行。
Intersil電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖
TI方案
TI提供鋰離子電池監(jiān)控(適合3-16節(jié)串聯(lián)電池)、電池保護、認證和外設(shè) IC 的多功能組合。監(jiān)控器采集重要電池參數(shù),如電壓、電流和溫度,并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器。電池保護器檢測從簡單(僅過壓)到高級(檢測更多故障)的多種故障條件,如過壓、欠壓、放電過流和短路。認證和識別 IC 提供針對電池組和配件(如充電電纜和打印機墨盒)的安全認證或識別。電池外設(shè) IC 可通過先進技術(shù)(如主動電池平衡 (ACB) 技術(shù))大幅擴充電池組的容量。
方案特點:
TI推薦電動車所采用的主動均衡方式:每個電池芯藉由矩陣開關(guān)控制變壓器與充電線路的組合,形成一個有調(diào)整功能的電壓/電流「蓄水池」的功能,當電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導(dǎo)致整組電池充放電容量下降,可藉由后端連接蓄水池的線路做調(diào)整,充電時不會因為監(jiān)控到某個電池芯內(nèi)壓過高而停止充電,放電時也可以完全的100%的釋放能源,進而延長電動車的行駛距離。
TI在隔離式DC-DC主動均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應(yīng)芯片所組成,其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片,與EMB1499為七信道電壓控制芯片等,來建構(gòu)十四通道雙向主動式電池芯均衡功能,串聯(lián)14顆電池芯與最高60V工作電壓,提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力,并滿足AECQ-100車用電子驗證標準。
德州儀器 (TI)電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖
ADI 方案
ADI的AD7280A 內(nèi)置對電動汽車所用疊層鋰離子電池進行通用監(jiān)控所需的全部功能。該器件具有多路復(fù)用電池電壓和輔助ADC測量通道,可用于最多6個電池的電池管理。同時提供±3 ppm內(nèi)部基準電壓,使電池電壓精度可達±1.6 mV。ADC分辨率為12位,轉(zhuǎn)換48個單元只需7 μs時間。
AD7280A采用單VDD電源供電,電源電壓范圍為8 V至30 V(絕對最大額定值為33 V)。該器件提供六個差分模擬輸入通道,以處理整個VDD范圍內(nèi)的大共模信號。各通道允許的輸入信號范圍(VIN(+)至VIN(?))為1 V至5 V。輸入引腳可接受六個串聯(lián)疊置的電池。此外器件內(nèi)置六個輔助ADC輸入通道,可用于溫度測量或系統(tǒng)診斷。
AD7280A內(nèi)置片內(nèi)寄存器,可根據(jù)應(yīng)用要求對通道測量的時序進行編程。另外還內(nèi)置動態(tài)提醒功能,可檢測電池電壓或輔助ADC輸入是否超出用戶定義的上限或下限。AD7280A具有電池平衡接口輸出,用來控制外部FET晶體管,允許各電池放電。
AD7280A內(nèi)置的自測功能可在內(nèi)部將一個已知電壓施加于ADC輸入。利用菊花鏈接口,最多可將八個器件堆疊起來,而無需單獨的器件隔離。
AD7280A僅需一個電源引腳,正常工作條件下的功耗為6.5 mA,轉(zhuǎn)換速率為1 MSPS。
ADI 電池管理系統(tǒng)(BMS)方案圖
NXP 方案
世平集團推出基于 NXP 芯片的汽車 BMS 電池管理系統(tǒng)解決方案, 可監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度, 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度。
方案規(guī)格:
① 監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度
② 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度
③ 單節(jié)電池間被動均衡功能
④ 電池包間CAN 總線或者菊花鏈連接
⑤ 帶有多種保護和診斷功能
⑥ 單顆 MC33771可監(jiān)測 8- 14 串電池
⑦ 內(nèi)置被動均衡 MOSFET,最大支持300 mA 被動均衡電流
⑧ 內(nèi)置庫倫計,用于電流檢測
⑨ ASIL C 芯片功能安全等級
⑩ 最高支持 15 顆 MC33771 級聯(lián)
? 檢測精度 2mV
? 支持 43 種內(nèi)部自檢測功能
? 65 us 內(nèi)同步測量電壓電流
功能框圖:
技術(shù)先進、產(chǎn)品穩(wěn)定可靠是這六家國外公司電池管理產(chǎn)品的核心特點,從技術(shù)、功能、品質(zhì)、標準規(guī)范四個維度闡釋了他們的競爭力。來源:電子發(fā)燒友