据Marklines统计,2020年全球电动汽车的总销量为289.24万辆,同比上升了45%。在电动车快速普及的今天,电池寿命和安全问题仍然是困扰消费者和生产厂商的一个难题。如何对电池进行有效的管理,成为了行业厂商技术攻坚的突破口。

 

电池管理系统(BMS)作为连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带,通过实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息,与外部设备交换信息,解决电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。在此趋势背景下,与非网推出BMS专题,邀请意法半导体(ST)就相关问题进行了探讨。意法半导体大中华暨南亚区汽车电子市场及应用部新能源车技术创新中心市场经理付志凯针对笔者的问题和困惑进行了详细的解答和分享。

 

意法半导体大中华暨南亚区汽车电子市场及应用部新能源车技术创新中心市场经理付志凯

 

与非网:电动汽车起火、爆炸等问题屡见不鲜,这是否说明BMS有很大的优化空间?应该怎么改进和提升?

 

付志凯:电动汽车自燃的原因很复杂。当然,BMS设计对于电动汽车的安全至关重要。ST的L9678可用于驱动爆炸保险丝,在一些极端情况下,例如,短路故障或碰撞,可以迅速切断高压动力电池组,以避免电池组发生热失控,目前越来越多的客户采用了这个解决方案。

 

与非网:BMS的监测包含SOC、SOH、SOP、SOF...等多种数据,目前哪些指标能做到高精度监测?另外,随着对安全和性能要求的日益提高,BMS设计中是否需要增加新的状态检测数据来完善电池管理系统? 

 

付志凯:ST的AFE(模拟前端)提供最佳的电芯测量精度和同步功能,MCU根据电芯的参数,运行智能的算法以计算出精确的SOC、SOH和SOP。其中,SOH对于电池的安全性非常重要,使用电池算法也很难精准的得到这个参数。目前,有些客户通过测量电池的交流阻抗来表征SOH,因此BMS需要实时监测电池的交流阻抗。

 

L9963E是一个不错的选择,因为它可以通过电池电压0us同步测量来测量交流阻抗。除此之外, L9963E的14个独立ADC(模数转换器)具有市场上最快的菊花链垂直接口,可缩短电芯电压和电流更新的周期。

 

与非网:由于电芯的不一致性,存在着不同的工作条件、不同的老化率等问题,因此需要均衡管理。目前,电动汽车BMS的均衡管理,常采用的是被动均衡还是主动均衡?
均衡管理未来的发展方向是怎样的?

 

付志凯:目前,大多数厂商都在使用被动均衡技术,因为被动均衡系统简单且成本低廉。随着电池技术的进步,电池性能一致性越来越好,电池热管理系统日益成熟,电池环境一致性也越来越好。越来越多的BMS支持休眠均衡,以提高均衡效率,因此我认为被动均衡将继续是发展趋势。

 

在正常和休眠均衡模式下,ST L9963E支持每个电芯最高200mA的内部被动均衡电流,而且支持多个通道同时开启均衡,并支持外部均衡,可以完全满足大多数客户的电池均衡要求。L9963E提供2级保护,包括最大计时器和欠压保护,以防止电池过放电。

 

与非网:随着BMS的发展,无线BMS开始出现。目前市场应用中,无线BMS实际应用情况如何?是否存在落地难题?

 

付志凯:据我所知,大多数无线BMS仍处于技术储备的早期阶段。无线BMS需要考虑EMC(电磁兼容性)、通信带宽、安全性等问题,这些因素影响了无线BMS的发展速度。

 

与非网:5G、AI、云计算、大数据等技术的兴起和发展,给BMS带来了哪些改变和助力?从市场需求和技术实现来看,BMS还呈现出哪些创新发展的趋势?

 

付志凯:电池数据(剩余电量、放电速度、环境和工况等各种数据)可以实时传输到云端,可以在云端进行大数据分析和处理,从而更好地估算电池的剩余电量和健康状态。

 

越来越多的客户还需要FOTA(无线固件更新)功能,实时更新软件,即使汽车售出后也可以通过FOTA更新功能。一旦发现软件漏洞,FOTA可以立即更新软件,这可以消除或降低汽车厂商的召回成本。因此,BMS需要支持FOTA功能和网络加密。意法半导体的高安全性PowerPC架构SPC57x / 58x MCU支持FOTA功能,片上集成的HSM(硬件安全模块)可满足网络安全要求。许多客户在开发项目中都使用了这个产品。

 

与非网:从BMS市场成熟度和产业模式的角度来看,国内外市场特点是什么?如何看待中国BMS市场的发展?

 

付志凯:目前,中国的电动汽车产业发展比较成熟,电池和电池管理系统的产业链相对完善。这种成熟度使中国的电动汽车行业具有一定的先发优势。 此外,客户在BMS开发中积累了很多经验。例如,在新的国家标准GB 38031-2020:电动汽车动力电池安全要求中,动力电池组系统应在电池热失控导致的热扩散之前5分钟发出报警信号,以避免人员危险。

 

意法半导体正在与这一领域的中国合作伙伴紧密合作。 例如,L9963E是与中国合作伙伴一起合作和定义的,目的是更好地满足中国汽车电动化市场当前和未来的需求。

 

采访最后,付志凯总结了ST在BMS部分的产品和解决方案,以及存在的优势:“意法半导体拥有30多年的汽车半导体研发经验,致力于为顶尖的汽车企业提供优质的解决方案,满足客户的性能要求,帮助客户解决恶劣工作环境的挑战。在这些解决方案中,BMS整体解决方案是意法半导体重点关注和投入的方案之一。

 

BMS整体解决方案包括ST的高可靠性系统基础芯片L9396、高安全性PowerPC architecture SPC57x / 58x MCU主控芯片,以及紧急切断高压电池的L9678芯片,这些芯片产品支持AUTOSAR架构、ASIL D级功能安全要求、HSM(硬件安全模块)和FOTA(固件无线更新)。

 

对于子板,ST提供一款符合ASIL D要求的模拟前端芯片L9963E。L9963E是一颗锂离子电池监控和保护芯片,用于高可靠性汽车和储能系统。它可以用于监视多达14个串联电芯,满足48 V及以上电压的电池系统要求。电池电压和电流的测量精度很高。该器件最多监视7个NTC传感器,通过SPI接口或隔离接口传输信息。

 

此外,设计人员还可以用菊花链级联多个L9963E,并使其通过变压器隔离接口与主处理器通信,这些接口具有高速、低EMI、远距离和可靠数据传输的特点。

 

该芯片采用被动电池均衡技术,在正常和低功耗(休眠)模式下都可以选择任意通道开启均衡。均衡操作可以根据内部计时器计时结束而自动停止均衡。片上共集成九个外部监控GPIO端口。L9963E具有全面的故障检测及上报功能,以满足功能安全标准的需求。”