電動汽車里面的智能配電方案設計

“隨著電池管理的主要架構從BMS本身往三電域控制器甚至是整車域控制器轉移，在電池管理系統(tǒng)里，需要簡化整個系統(tǒng)設計來降低BMS復雜性，同時要提升系統(tǒng)安全性。簡化設計之后，新方案可以提升電壓和電流采樣的精度，通過有效的電壓電流同步技術，可以對電池運行狀態(tài)、充電狀態(tài)和電池阻抗進行計算。

近和幾位朋友討論在電池系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)和電氣設計的趨勢，我們都認為在技術方案演變過程中，主導權越來越傾向于垂直一體化的企業(yè)（車企開始做電池，電池企業(yè)開始做CTC一體化底盤和域控制器）。在大容量電池需要兼容400V和800V的情況下，出現(xiàn)了一種智能配電方案設計，對電池管理系統(tǒng)功能分解方案帶來新的變化。

▲圖1. 智能化方向發(fā)展的智能配電盒設計

智能配電設計這個智能配電方案設計，早要追溯到歐洲的PHEV系統(tǒng)設計，如下所示：

▲圖2. 獨立的高壓智能配電盒

隨著電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要功能，從基本的監(jiān)測電芯電壓、電池組電壓和電池組電流，到監(jiān)測各個電芯的電壓和溫度，逐漸開始存儲傳輸?shù)皆贫瞬⑦M行大數(shù)據(jù)層面的分析，這讓整個電池管理系統(tǒng)的方案設計都可以簡化。

圖1的示意圖中可以看出，在傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)BMS架構中，電池管理系統(tǒng)是放在高壓側的，內部主控單片機MCU包含了全部的采樣功能，包括高壓側電壓采樣、絕緣阻抗采樣和電流采樣，而電氣配電盒（BJB）只包含高壓接觸器、保險絲（熱熔）和電流傳感器，這種方式從系統(tǒng)整體布局來看，高壓采集線纜布局的困難較大，多個接觸器的高壓采樣點終都要連接到BMU上，且BJB需要通過線纜連接到隔離模數(shù)轉換器ADC。

隨著CTP的發(fā)展，系統(tǒng)設計需要考慮400V、800V兼容，并且由于快充的需求，整個電流范圍也越來越高，并且需要導入Pyro-fuse的使用，如何減少BMS系統(tǒng)空間并簡化整個線束布置，就成了設計的主要考慮方向。在圖1右方的是電動汽車早幾年開始流行的智能配電盒BJB，配電盒內部具有專用的電池組監(jiān)控器，可以測量所有的電壓和電流，并通過串行通信協(xié)議將信息傳遞給MCU。

這種智能BJB的主要優(yōu)勢是可以簡化線束并優(yōu)化布線就近設計，可以對高壓側電壓和電流進行測量，同時整個軟硬件也可進行簡化，使用同系列器件完成單體電壓采樣和高壓電流采樣，兩者的架構和寄存器也非常相似，并且可以同步電池組電壓和電流測量，減低SOC測算難度。

▲圖3. BJB內部高壓及電流采樣

圖3是一個典型的參考設計，采用的TI BQ79631-Q1測量不同位置高壓、電流和溫度，其中對高壓電壓采樣使用分壓電阻實現(xiàn)，對分流電阻進行溫度采樣。在大電流快充持續(xù)時間越來越長的情況下，可以方便單片機MCU進行溫度補償；在電流采樣更高功能安全等級的需求下，系統(tǒng)也可使用霍爾效應傳感器，實現(xiàn)電流的隔離采樣。

▲圖4. 電池管理云端平臺

云端電池管理系統(tǒng)中對于采集到的數(shù)據(jù)，不止可以在本地MCU進行分析，更重要的是從長期數(shù)據(jù)分析角度來看，單體電壓、Pack電壓和電流同步采樣信息就變得非常關鍵——基于這些數(shù)據(jù)的深度分析，可以在后臺對每個電芯和整個電池系統(tǒng)進行評估來判斷電池的真正差異性，并通過計算電池阻抗來監(jiān)測電池的長期特性。采樣的特定時間間隔稱為同步間隔，同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準確。從電池管理系統(tǒng)和云端分析角度來看，需要將電壓和電流采樣的延遲控制在1ms內，滿足這項要求的主要難點在于：

1）所有電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器都有不同的時鐘源，采集信號過程本身就不同步。

2）在800V電池系統(tǒng)里面，串聯(lián)的電池監(jiān)控器數(shù)量大大提高，每個電池監(jiān)控器可以測量6至18個電芯，每個電芯的數(shù)據(jù)長度為16位。大量數(shù)據(jù)需要通過菊花鏈通信接口傳輸，會消耗電壓和電流同步所需的時間預算。

3）電壓電流采樣的濾波器均會影響信號延時，導致電壓和電流同步延遲。

從這方面考慮，電池監(jiān)控器芯片的選擇就很重要，TI的BQ79616-Q1、BQ79614-Q1和BQ79612-Q1可以通過向電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器發(fā)出ADC啟動命令來保持時間同步，通過支持延遲ADC采樣來補償通過菊花鏈接口傳輸ADC啟動命令引發(fā)的傳播延遲。

▲圖5. 高集成化的控制器涵蓋了BMS的計算任務

小結：

隨著電池管理的主要架構從BMS本身往三電域控制器甚至是整車域控制器轉移，在電池管理系統(tǒng)里，需要簡化整個系統(tǒng)設計來降低BMS復雜性，同時要提升系統(tǒng)安全性。簡化設計之后，新方案可以提升電壓和電流采樣的精度，通過有效的電壓電流同步技術，可以對電池運行狀態(tài)、充電狀態(tài)和電池阻抗進行計算。