新能源汽车最核心和最贵的两个器件是 IGBT 和电芯,围绕这两个器件其实在三电系统检测和保护中芯片起到了很大的作用,随着汽车内电压从 12V、48V、200V+、400V+最后到 800V,监测和保护的芯片电路的功能重要性也越来越重要。当然这部分成本在 BMS、逆变器里面也占了不小的成本比例。

 

01、不同的电压组合

从整体的演进路线,目前主要汽车里面由单一的电压等级 12V 开始逐步往多个电压转变,主要发展方向为: 

 

1)混合动力 12V+48V:采用两颗电池,一般是 12VAGM 电池和 48V 锂电池作为搭配。

 

2)混合动力 12V+HV:采用两颗电池,12VAGM 铅酸电池和高压锂电池作为组合 

 

3)电气化:主要包含 12V+HV、12V+48V+12V 和 HV+48V(目前这种设计并不存在,只是演进的方向) 这里值得一提的是 48V 电源供电设计,48V 电压平台通常用于为需要更高功率的负载供电,连接到 48 V 电压平台上的 ECU 都需要高效,高功率密度且能够承受 ISO 21780 中规定的工作电压要求的电源管理设备。可以使用降压稳压器,三相栅极驱动器和电池管理系统之类的产品,配合电流和电压检测放大器产品组合。 

 

02、电池管理系统

电池管理系统的主要任务是通过保证电池系统的设计性能,从硬件结构上,电池管理系统由传感器、控制器、执行器、高低压线束等组成,从硬件结构上来看,它有以下的功能模块:

 

1)电池参数检测(传感器层):包括电池系统总电压、总电流、单体电池电压检测、温度检测、烟雾探测、绝缘检测、碰撞检测等。 

 

2)接触器控制与电池安全保护(执行层):电池管理系统具备驱动接触器的电路和诊断接触器各个高压节点的实际状态,接触器在实际情况下是集成在智能断开盒中的。

 

3)MCU 计算核心:这部分是整个电池管理系统的算法,这部分也是电池系统作为一个整车控制器实现既定的功能安全目标最为基础的电路结构。

 

4)均衡电路:整个电池系统的不一致性直接影响电池系统地实际可用容量,这个不一致性会随着时间进行累积。目前随着电池进入 200Ah 的时代,均衡的作用和能力进入一个微妙的时代。 

 

5)电源管理电路和 EMC 抑制:电池管理系统从电池模组和 12V 电池上驱电,通过合理的保护电路来管控不同节点的电源情况。

 

6)网络通讯和唤醒电路:电池管理系统是需要与整车动力总成、车身网络等整车网络节点通信,也需要进行对应的网络管理和唤醒休眠管理。

 

7)信息存储单元:用于存储关键数据,比如在整个生命周期内客户使用的情况,这部分核心内容是记录电池系统超出预期的滥用数据的时间和频次。

 

随着域控制器的引入,BMS 内存储信息,主要是以 FOTA 的要求为主,存数据倒不是重要的事情。 如下图所示,想要完成一个大的完整的电池管理系统在一块电路板上面,其硬件和软件的复杂度,特别是高低压混合的情况比较突出,外围的高低压线束使得整个电池管理系统在硬件设计上难以实现。 

 

图 1 电池管理系统的硬件基本框架

 

图 2 某个典型的 BMS 电路,后续会拆解分析

 

03、电池系统和充电里面的芯片进化特点

如何提高电池管理系统的可靠性?

电池的 AFE 检测芯片,以德州仪器 (TI) BQ79606A-Q1 为例,主要的设计方向是在芯片层面提高芯片的功能安全等级和可靠性。高度集成的 BQ79606A-Q1 可精确监控温度和电压水平,有助于最大限度地延长电池使用寿命和上路时间。此外,BQ79606A-Q1 电池监控器具有安全状态通信功能,可帮助系统设计人员满足汽车安全完整性等级 D(ASIL-D)的要求。这是 ISO 26262 道路车辆标准定义的最高功能安全目标。 目前 AFE 方面,在电压检测,温度检测和通讯功能达到汽车安全完整性等级 ASIL-D。 在通信方面,AFE 占据主要的功能,从之前的 CAN 大部分企业都逐步过渡到的菊花链的通信方式,在菊花链的环体系结构,即使在一端通讯电缆断开的情况下,也可以通过反向通讯保证所有电池模组的通讯。

 

图 3 菊花链通信方式

 

在设计方面中,无需外部齐纳二极管也可实现强大的热插拔性能。目前电池系统需要优化低温下的充电 / 放电性能,并确保高温下电池保持在安全的工作区域内。为了应用适当的热管理策略,有必要在电池 / 电池组水平上进行准确的电压和温度感测(BQ79606A-Q1)。这些可能需要在冷启动条件下进行预热,并在较高温度下进行冷却。

 

 

小结:这几年 BMS 的发展,主要还是在 AFE 芯片的优化上,本身 BMS 本体的功能发展还是比较有限的,随着 BMS 和域控制器的迭代发展,这方面的特点会越来越明显。作为模拟芯片老大,TI 近些年不断推出相关的车规级产品和参考设计,比如上文提到的 BQ79606A-Q1 和基于该产品的可扩展的 6s 至 96s 锂电池监控演示器参考设计,并且还在不断研发新一代产品,加速这个领域的创新迭代过程。另外说个题外话, 最近看到了许多 TI 针对于汽车市场的宣传活动,可见其对汽车领域的重视。

 

图 4 TI 在上海汽车城安亭地铁站的广告宣传