TI- 如何設(shè)計(jì)適用于電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的智能電池接線盒

    隨著電動(dòng)汽車 (EV) 日益流行，如何在反映真實(shí)續(xù)航里程的同時(shí)讓汽車更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成為汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)之一。首先，這意味著需要降低電池包成本并提高其能量密度。電芯中存儲(chǔ)和消耗的每瓦時(shí)能量都對(duì)延長(zhǎng)續(xù)航里程至關(guān)重要。

    電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要功能是監(jiān)測(cè)電芯電壓、電池包電壓和電池包電流。此外，鑒于 BMS 的高電壓設(shè)計(jì)，需要測(cè)量高壓域和低壓域之間的絕緣電阻，從而捕捉電池結(jié)構(gòu)中的缺陷并防止危險(xiǎn)狀況發(fā)生。

    圖 1：傳統(tǒng)的 BMS 架構(gòu) (a)；具有智能電池接線盒 (BJB) 的 BMS 架構(gòu) (b)
    圖 1 展示了典型的 BMS 架構(gòu)，其中包括電池管理單元 (BMU)、電芯監(jiān)控單元 (CMU) 和電池接線盒 (BJB)。BMU 通常包含一個(gè)微控制器 (MCU)，用來管理電池包中的所有功能。傳統(tǒng)電池接線盒是具有電源接觸器的繼電器箱或開關(guān)箱，用于將整個(gè)電池包與負(fù)載逆變器、電機(jī)或電池充電器連接。
    圖 1a 顯示的是傳統(tǒng) BMS。接線盒內(nèi)部沒有有源電子產(chǎn)品，電池接線盒中所有的測(cè)量都在電池管理單元進(jìn)行。電池接線盒通過線纜連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 端子。
    圖 1b 顯示的是智能電池接線盒。接線盒內(nèi)部具有專用的電池包監(jiān)測(cè)器，可以測(cè)量所有電壓和電流，并通過簡(jiǎn)單的雙絞線通信將信息傳遞給 MCU。這有助于消除布線和線束，并以更低的噪聲改進(jìn)電壓和電流測(cè)量。

    電壓、溫度和電流測(cè)量

    圖 2 展示了啟用BQ79731-Q1的電池包監(jiān)測(cè)器在電池接線盒內(nèi)所測(cè)量的不同高電壓、電流和溫度。
    圖 2：電池接線盒內(nèi)部的高電壓測(cè)量
    ·電壓：高電壓測(cè)量使用分壓電阻器串來實(shí)現(xiàn)。此類電壓測(cè)量可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中高電壓元件的運(yùn)行狀態(tài)。
    ·溫度：溫度測(cè)量監(jiān)測(cè)分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應(yīng)用補(bǔ)償，此外，接觸器的溫度也在監(jiān)測(cè)下，以確保其承受的應(yīng)力不超出正常運(yùn)行條件。
    ·電流：電流測(cè)量基于下列兩種器件之一：
    ·分流電阻器 - 由于電動(dòng)汽車中的電流可以高達(dá)數(shù)千安，因此分流電阻值要非常小，為 25?Ohms 至 50?Ohms；
    ·霍爾效應(yīng)傳感器 - 用于測(cè)量高電壓軌上仍處于隔離狀態(tài)的電動(dòng)汽車電流。通常情況下，其動(dòng)態(tài)范圍有限，因此，系統(tǒng)中可能會(huì)使用多個(gè)傳感器來測(cè)量整個(gè)范圍。
    過流故障檢測(cè)和保護(hù)
    為了防止在短路、高壓端子裸露或設(shè)備故障的情況下對(duì)電池包造成重大損壞，必須在 BMS 中檢測(cè)并預(yù)防過流事件。集成在電池接線盒單元中的過流電路將使用通過測(cè)量分流電阻器或霍爾效應(yīng)傳感器和電池包監(jiān)測(cè)器的電流，然后對(duì)該測(cè)量值進(jìn)行處理，并將其與電池包監(jiān)測(cè)器內(nèi)的閾值進(jìn)行比較。它們都能夠通過專用輸出發(fā)出過流事件信號(hào)，用于啟用保險(xiǎn)絲驅(qū)動(dòng)器來熔斷高壓分離器（爆炸熔絲）。由于對(duì)信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間需要盡可能快，因此我們?cè)陔姵匕O(jiān)測(cè)器件中部署了專用信號(hào)處理路徑提升反應(yīng)速度。
    電壓和電流同步
    電壓和電流同步是指測(cè)量電池包監(jiān)測(cè)器和電芯監(jiān)測(cè)器之間進(jìn)行電壓和電流采樣存在的延時(shí)時(shí)間。這些測(cè)量主要用于通過電化學(xué)阻抗跟蹤分析 (EIS) 來計(jì)算荷電狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。通過測(cè)量電芯的電壓、電流和功率來計(jì)算電芯阻抗，BMS 就可以監(jiān)測(cè)汽車的瞬時(shí)功率。
    電芯電壓、電池包電壓和電池包電流必須實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，以便提供更準(zhǔn)確的功率和阻抗估算。進(jìn)行采樣的特定時(shí)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(zhǔn)確。荷電狀態(tài)估算越準(zhǔn)確，那么駕駛員預(yù)計(jì)的剩余續(xù)航里程就越。
    同步要求
    新一代 BMS 需要將同步電壓和電流測(cè)量延遲控制在 1ms 內(nèi)，但要滿足這項(xiàng)要求會(huì)面臨如下挑戰(zhàn)：
    TI 的電池監(jiān)測(cè)器可以通過向電芯監(jiān)測(cè)器和電池包監(jiān)測(cè)器發(fā)出 ADC 啟動(dòng)命令來保持時(shí)間關(guān)系。這些電池監(jiān)測(cè)器還支持延遲 ADC 采樣，以此補(bǔ)償通過菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動(dòng)命令引發(fā)的傳播延遲。
    遠(yuǎn)程器件通信支持
    智能電池接線盒的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可通過使用多功能菊花鏈接口簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)通信，不僅適用于電池包和電池電芯監(jiān)測(cè)器件，還適用于遠(yuǎn)程器件（如 EEPROM 存儲(chǔ)器或放置在車輛不同物理位置模塊中的各類傳感器）。在這種情況下，電池包和監(jiān)測(cè)器件還充當(dāng)接口轉(zhuǎn)換器，提供通過菊花鏈接口傳輸?shù)?I2C 或 SPI 數(shù)據(jù)，從而減少了布線和線束，進(jìn)而降低了電動(dòng)汽車的整體重量。
    汽車行業(yè)的大規(guī)模電氣化發(fā)展促使需要通過在接線盒中添加電子產(chǎn)品來降低 BMS 復(fù)雜性，并且要提升系統(tǒng)安全性。電池包監(jiān)測(cè)器可以在本地測(cè)量繼電器之前和之后的電壓，以及整個(gè)電池包的電流。提升電壓和電流測(cè)量的精度可以直接促進(jìn)對(duì)電池的充分利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 器件可以將系統(tǒng)的所有必要功能集成到單個(gè)器件中，以此優(yōu)化智能電池接線盒的性能，并降低其未來成本。通過有效的電壓和電流同步，可以對(duì)運(yùn)行狀況狀態(tài)、荷電狀態(tài)和 EIS 進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而充分利用電池。
    此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池電芯監(jiān)測(cè)器系列可實(shí)現(xiàn)的電芯電壓和溫度測(cè)量，以此作為 CSU 部署的一部分，助力創(chuàng)建完善的 BMS 生態(tài)系統(tǒng)。