來源：電子產品世界

電池組是電動汽車最重要的部件之一，就成本而言，它幾乎占到車輛成本的40%。電池組包括為電動汽車傳動系統供電的鋰離子電池，以及一種名為電動汽車電池管理系統的智能解決方案。

(資料圖)

本文引用地址：

電動汽車BMS又分為低壓（LV）和高壓（HV）兩類。其中，≤30VAC和≤60VDC屬于低壓級別，主要應用于輕型電動和混合動力車輛（2輪或3輪車）；高壓BMS有兩個級別，工作電壓范圍分別為≤600VAC和≤900VDC以及≤1,000VAC和≤1,500VDC，主要應用于電動汽車、電動巴士、電動卡車（4輪車）等，這些車輛常常需要串聯和并聯多個鋰離子電池，例如400V、20kWh電動巴士的高壓BMS（含LiFePO4電池）就由125個串聯電池和1個并聯電池組成。

從物理特性來看，鋰離子電池組的爆炸威力類似于小型炸藥，未經控制的熱失控會導致爆炸和火災的發生，對車輛乘員來說這個潛在的威脅可能是致命的。因此，密切關注電池組的電壓、電荷和溫度等參數的變化非常重要。從應用角度來看，為了從一次充電中獲得更多里程、減少充電時間，且盡可能地地降低電動汽車電池組的總成本，除了嘗試采用新的電池化學成分以及新的架構外，電動汽車高壓BMS的高效設計也非常關鍵。

BMS：電動汽車安全可靠工作的守護者

鋰離子電池具有高充電密度，為大多數電動汽車提供動力。不過，這些電池組在使用過程中存在著高度不穩定性和安全隱患。因此，這些電池在任何時候都不應處于過度充電或達到深度放電狀態。

熱失控通常是指充電或過度充電時流過電池的電流導致電池過熱，這種情況將損害電池的壽命或容量。不同鋰電池之間的不一致性是必然存在的一種現象，要想保證電池組的安全高效運行，這些電池必須同時工作在狹小的安全窗口內。

在實際應用中，這一管理過程非常具有挑戰性，因為在電動汽車中，許多電池單元被組合在一起形成一個電池組，每個電池單元都需要單獨監控，以確保其安全和高效運行，電池數量越多，管理難度就越大。此時，堪稱電動汽車守護者的電池管理系統（BMS）的作用就極為重要。

電動汽車BMS是控制電池組正常工作的中央單元，它能確保鋰離子電池安全、可靠和高效運行，通常通過監測和測量電池參數并評估SoC（充電狀態）和SoH（健康狀態）來管理電池組。BMS主要通過確保電池組在SoA（安全操作區）下安全地工作，從而保護電池組中的電池；電池數量越多，BMS的設計難度越大。以Model3為例，它的BMS需管理2,976節21700電池，或許是目前市場上復雜度最高的電動汽車電池管理系統之一。

未檢測到的電池熱失控可能會導致重大安全事故。BMS通過采集電壓、溫度和電流等數據以優化功率，類似的數據也常常用于保證車輛的安全性，以符合ISO26262等標準的要求。當然，車輛的安全性也涉及到另一個方面的要求，即車身/底盤與電池組必須絕緣，以避免對車輛乘員造成電擊。

4 電池充電優化

電池的健康狀況會隨著時間的推移而不斷變差。比如，電芯受熱后有時會出現輕微損壞，并開始以低于其他電芯的電壓充電。BMS要能夠識別此故障并優化充電過程，以便所有電池都以較低的電壓充電，以此減少整個電池組的壓力，提高整體壽命。當然，BMS診斷也會將此問題存儲為故障代碼，以便在稍后階段修復。此外，電池端子的氧化也可能導致電壓降低，BMS需要適應這些變化并使電池達到最佳性能。

BMS設計的技術考慮

在設計BMS時，必須考慮各種因素，主要應包含四個關鍵功能：

一是參數估算。要能估算電芯級和組件級的SoC、SoH，并通過CAN與控制器通信。

二是數據存儲。BMS應記錄來自電池組和單個電芯的電信號，并將其存儲在內置存儲器中。

三是控制功能。BMS需要測量溫度、電壓和電流，并控制這些參數以實現電芯的平衡。

四是診斷功能。預測故障、監測電芯的變化、感知錯誤、識別安全風險并向駕駛員發送信息以供決策。

#01 TI BQ79616-Q1

BQ79616-Q1是TI公司提供的汽車類16節串聯精密電池監控器、平衡器和集成保護器，符合ASIL-D標準，在不到200μs的時間內為HEV/EV中高壓電池管理系統中的16S電池模塊提供高精度電池電壓測量。

借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實施系統。集成的ADC低通濾波器可以執行經過濾波、類似于直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態（SoC）。該器件還支持自主內部電池平衡，并通過監測溫度來自動暫停和恢復平衡，以免出現過熱條件。

此外，器件中包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進行隔離，并且能夠使用更高效的組件實現xEV動力總成系統中常見的集中式或分布式架構。在通信線路中斷的情況下，菊花鏈通信接口可配置為環形架構，允許主機與堆棧兩端的設備通信。器件中的8個GPIO或輔助輸入可執行外部熱敏電阻測量。

圖1：簡化版BQ79616-Q1系統框圖

（圖源：TI）

一個成功的BMS方案從最初的方案設計到最終產品落地，設計過程絕非易事。為此，ST為L99963E提供了兩個評估板：一個是EVAL-L99963E-MCU，它包括一個微控制器，并帶有圖形用戶界面STSW-L9963E，以幫助開發人員更快地創建應用程序。另一個是EVAL-L99963E-NDS，可將多個L99963E放在菊花鏈中。

圖2：鋰離子電池監測和保護芯片L99963E系統框圖

（圖源：STMicroelectronics）

傳統BMS有三個主要子系統：電池管理單元（BMU）、電池接線盒（BJB）和電池監控單元（CSU）。BMU包含主控MCU，負責電池組的充電狀態（SoC）和健康狀態（SoH）計算。SoC和SoH的精確測量是降低成本并準確表示電池壽命和續航里程的關鍵。此外，電池組電壓和電流監測、絕緣電阻測量以及接觸器和熱熔絲驅動器所需的大部分電子設備都在BMU上。CSU包含用于電池電壓和溫度監控的電子設備，而BJB主要是一個機電箱，分流器、接觸器和熱熔斷器都在這個箱子里。

#03 NXP HVBMS

NXP的高壓電池管理系統（HVBMS）參考設計采用ASIL D架構，由電池管理單元（BMU）、電芯監測單元（CMU）和電池接線盒（BJB）3個模塊組成。RD-HVBMSCTBUN是該公司HVBMS的參考設計套件，是一個完整的硬件解決方案。

其中，BMU是電池管理系統的控制部分，它處理來自其他BMS模塊的各種數據，做出確保BMS安全的決策，同時與整車控制器（VCU）通信，并驅動將電池連接到汽車系統的接觸器。

RD-K344BMU是用于開發電池管理單元（BMU）的參考設計，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型。該開發板主要由NXP的S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等器件構成。

RD33775ACNTEVB是支持電子傳輸協議鏈路（ETPL）通信的集中式單體電池監控單元（CMU）參考設計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的四個MC33775A模擬前端（AFE）。MC33775A是14通道鋰離子電池控制器（BCC），4個MC33775A最多能容納56個單體電池，可通過向菊花鏈添加更多CMU進行擴展。

RD772BJBTPLEVB是NXP HVBMS解決方案中的電池接線盒（BJB）參考設計，這個評估板包含兩個MC33772C電池傳感器，可用于冗余的高壓和電流測量，并進行隔離測量。根據NXP官網的信息，上述產品目前僅對部分簽署了保密協議（NDA）的客戶開放。

圖3：NXP電池管理系統解決方案參考平臺框圖

（圖源：NXP）

電動汽車BMS設計正在走向無線化

在電動汽車中，電池管理系統（BMS）是確保車輛安全、續航里程和可靠性的關鍵系統，如今這一系統將迎來新一波創新浪潮。傳統的BMS架構需要在BMU和BJB之間鋪設許多電纜，不僅會占用電池組中的寶貴空間，還增加了汽車的重量。得益于一些主要半導體公司的一系列新產品，當今先進的電動汽車BMS設計正在走向無線化。

向無線BMS技術轉變的汽車BMS將帶來多項優勢：

減輕重量

電動汽車電池系統中的電纜和線束非常笨重，移除這些電纜可有效減輕總重量，并為電池艙中的其他系統提供更多空間。去除電纜后，系統中的許多配件和連接器也將一同被移除，成本也會相應降低。

消減電纜設計成本

有線BMS中使用的電纜是需要定制，并且價格昂貴。通常，每種型號的車輛都需要重新設計，每年還要對電池系統進行重大更改。采用全無線技術可有效降低這些成本。

組件易于模塊化

因為無線BMS不需要專有的電纜組件和線束，所以剩余的組件和系統可以高度模塊化，第三方供應商也更容易參與到設計中來。

維護更簡單

移除電纜后電池的檢查和更換更方便。

綜合來看，電動汽車電池管理系統的無線化擺脫了CAN總線和SPI電纜帶來的困擾。采用無線架構后，用于連接電池、監視器、主機控制器、外圍設備和任何外部系統的傳統電纜在很大程度上都將被無線通信所取代。

如果輸出接口在IEEE 802.3ch汽車以太網中實現，則可以進一步減少電纜數量、降低線束重量，延遲也會縮短。無線BMS設計是在ISM頻帶（2.4GHz）中工作的短距離射頻（RF）系統。作為一種短距無線系統，用于電動汽車的無線BMS設計與其他無線網絡系統一樣也會面臨很多設計挑戰。

比如，系統中的監控單元和主機控制器需要在車輛啟動期間形成初始網絡，并且這一過程需要非常快速地完成。延遲、多徑誤差和輻射噪聲等問題會使這一過程更加困難。此外，這些系統最好是低功耗的，以確保運行期間的低溫和長期可靠性。

電動汽車BMS行業的機遇

從市場規模來看，全球電池電動汽車市場2020年底達到797萬輛，預計到2030年底將達到9,510萬輛。挪威道路聯合會2023年1月2日發布的最新數據顯示，這個北歐國家2022年售出的新乘用車中，將近八成是純電動汽車，刷新了該國的歷史紀錄。挪威人口約550萬，去年共售出138,265輛純電動車，占新乘用車總銷量的79.3%，大幅超過2021年的64.5%。

中國是全球電動汽車市場的重要參與者，政府不斷鼓勵人們使用電動汽車，并計劃到2040年全面禁止柴油和汽油車輛。從工信部發布的統計數據來看，2022年1－9月，中國新能源汽車產銷分別完成471.7萬輛和456.7萬輛，同比分別增長1.2倍和1.1倍，市場占有率達到23.5%。其中純電動汽車產銷分別完成368.2萬輛和357.8萬輛，同比分別增長1.0倍和97.9%；插電式混合動力汽車產銷分別完成103.3萬輛和98.7萬輛，同比分別增長1.9倍和1.7倍。

圖4：2017年-2022年國內月度新能源汽車銷量及同比變化情況（圖源：工信部官網）