如何提高汽車芯片進(jìn)化電池管理系統(tǒng)的可靠性?
發(fā)布時間:2021-08-03 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】新能源汽車最核心和最貴的兩個器件是 IGBT 和電芯,圍繞這兩個器件其實在三電系統(tǒng)檢測和保護中芯片起到了很大的作用,隨著汽車內(nèi)電壓從 12V、48V、200V+、400V+最后到 800V,監(jiān)測和保護的芯片電路的功能重要性也越來越重要。當(dāng)然這部分成本在 BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。
新能源汽車最核心和最貴的兩個器件是 IGBT 和電芯,圍繞這兩個器件其實在三電系統(tǒng)檢測和保護中芯片起到了很大的作用,隨著汽車內(nèi)電壓從 12V、48V、200V+、400V+最后到 800V,監(jiān)測和保護的芯片電路的功能重要性也越來越重要。當(dāng)然這部分成本在 BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。
01、不同的電壓組合
從整體的演進(jìn)路線,目前主要汽車?yán)锩嬗蓡我坏碾妷旱燃?12V 開始逐步往多個電壓轉(zhuǎn)變,主要發(fā)展方向為:
1)混合動力 12V+48V:采用兩顆電池,一般是 12VAGM 電池和 48V 鋰電池作為搭配。
2)混合動力 12V+HV:采用兩顆電池,12VAGM 鉛酸電池和高壓鋰電池作為組合
3)電氣化:主要包含 12V+HV、12V+48V+12V 和 HV+48V(目前這種設(shè)計并不存在,只是演進(jìn)的方向) 這里值得一提的是 48V 電源供電設(shè)計,48V 電壓平臺通常用于為需要更高功率的負(fù)載供電,連接到 48 V 電壓平臺上的 ECU 都需要高效,高功率密度且能夠承受 ISO 21780 中規(guī)定的工作電壓要求的電源管理設(shè)備??梢允褂媒祲悍€(wěn)壓器,三相柵極驅(qū)動器和電池管理系統(tǒng)之類的產(chǎn)品,配合電流和電壓檢測放大器產(chǎn)品組合。
02、電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過保證電池系統(tǒng)的設(shè)計性能,從硬件結(jié)構(gòu)上,電池管理系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器、高低壓線束等組成,從硬件結(jié)構(gòu)上來看,它有以下的功能模塊:
1)電池參數(shù)檢測(傳感器層):包括電池系統(tǒng)總電壓、總電流、單體電池電壓檢測、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等。
2)接觸器控制與電池安全保護(執(zhí)行層):電池管理系統(tǒng)具備驅(qū)動接觸器的電路和診斷接觸器各個高壓節(jié)點的實際狀態(tài),接觸器在實際情況下是集成在智能斷開盒中的。
3)MCU 計算核心:這部分是整個電池管理系統(tǒng)的算法,這部分也是電池系統(tǒng)作為一個整車控制器實現(xiàn)既定的功能安全目標(biāo)最為基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)。
4)均衡電路:整個電池系統(tǒng)的不一致性直接影響電池系統(tǒng)地實際可用容量,這個不一致性會隨著時間進(jìn)行累積。目前隨著電池進(jìn)入 200Ah 的時代,均衡的作用和能力進(jìn)入一個微妙的時代。
5)電源管理電路和 EMC 抑制:電池管理系統(tǒng)從電池模組和 12V 電池上驅(qū)電,通過合理的保護電路來管控不同節(jié)點的電源情況。
6)網(wǎng)絡(luò)通訊和喚醒電路:電池管理系統(tǒng)是需要與整車動力總成、車身網(wǎng)絡(luò)等整車網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信,也需要進(jìn)行對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理和喚醒休眠管理。
7)信息存儲單元:用于存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù),比如在整個生命周期內(nèi)客戶使用的情況,這部分核心內(nèi)容是記錄電池系統(tǒng)超出預(yù)期的濫用數(shù)據(jù)的時間和頻次。
隨著域控制器的引入,BMS 內(nèi)存儲信息,主要是以 FOTA 的要求為主,存數(shù)據(jù)倒不是重要的事情。 如下圖所示,想要完成一個大的完整的電池管理系統(tǒng)在一塊電路板上面,其硬件和軟件的復(fù)雜度,特別是高低壓混合的情況比較突出,外圍的高低壓線束使得整個電池管理系統(tǒng)在硬件設(shè)計上難以實現(xiàn)。
圖 1 電池管理系統(tǒng)的硬件基本框架
圖 2 某個典型的 BMS 電路,后續(xù)會拆解分析
03、電池系統(tǒng)和充電里面的芯片進(jìn)化特點
如何提高電池管理系統(tǒng)的可靠性?
電池的 AFE 檢測芯片,以德州儀器 (TI) BQ79606A-Q1 為例,主要的設(shè)計方向是在芯片層面提高芯片的功能安全等級和可靠性。高度集成的 BQ79606A-Q1 可精確監(jiān)控溫度和電壓水平,有助于最大限度地延長電池使用壽命和上路時間。此外,BQ79606A-Q1 電池監(jiān)控器具有安全狀態(tài)通信功能,可幫助系統(tǒng)設(shè)計人員滿足汽車安全完整性等級 D(ASIL-D)的要求。這是 ISO 26262 道路車輛標(biāo)準(zhǔn)定義的最高功能安全目標(biāo)。 目前 AFE 方面,在電壓檢測,溫度檢測和通訊功能達(dá)到汽車安全完整性等級 ASIL-D。 在通信方面,AFE 占據(jù)主要的功能,從之前的 CAN 大部分企業(yè)都逐步過渡到的菊花鏈的通信方式,在菊花鏈的環(huán)體系結(jié)構(gòu),即使在一端通訊電纜斷開的情況下,也可以通過反向通訊保證所有電池模組的通訊。
圖 3 菊花鏈通信方式
在設(shè)計方面中,無需外部齊納二極管也可實現(xiàn)強大的熱插拔性能。目前電池系統(tǒng)需要優(yōu)化低溫下的充電 / 放電性能,并確保高溫下電池保持在安全的工作區(qū)域內(nèi)。為了應(yīng)用適當(dāng)?shù)臒峁芾聿呗?,有必要在電?/ 電池組水平上進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓和溫度感測(BQ79606A-Q1)。這些可能需要在冷啟動條件下進(jìn)行預(yù)熱,并在較高溫度下進(jìn)行冷卻。
小結(jié):這幾年 BMS 的發(fā)展,主要還是在 AFE 芯片的優(yōu)化上,本身 BMS 本體的功能發(fā)展還是比較有限的,隨著 BMS 和域控制器的迭代發(fā)展,這方面的特點會越來越明顯。作為模擬芯片老大,TI 近些年不斷推出相關(guān)的車規(guī)級產(chǎn)品和參考設(shè)計,比如上文提到的 BQ79606A-Q1 和基于該產(chǎn)品的可擴展的 6s 至 96s 鋰電池監(jiān)控演示器參考設(shè)計,并且還在不斷研發(fā)新一代產(chǎn)品,加速這個領(lǐng)域的創(chuàng)新迭代過程。另外說個題外話, 最近看到了許多 TI 針對于汽車市場的宣傳活動,可見其對汽車領(lǐng)域的重視。
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