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BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

發(fā)布時(shí)間:2024-04-21 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在節(jié)能減碳的大背景下,全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化,其中一個(gè)重要的標(biāo)志就是,以鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)為代表的儲(chǔ)能技術(shù),將在未來(lái)的能源基礎(chǔ)設(shè)施中扮演著重要的角色。

  

在節(jié)能減碳的大背景下,全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化,其中一個(gè)重要的標(biāo)志就是,以鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)為代表的儲(chǔ)能技術(shù),將在未來(lái)的能源基礎(chǔ)設(shè)施中扮演著重要的角色。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!


在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái),無(wú)論是驅(qū)動(dòng)新能源汽車的動(dòng)力電池,還是方興未艾的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電池,都將迎來(lái)一個(gè)令人興奮的“牛市”。根據(jù)波士頓咨詢公司與中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的聯(lián)合研究報(bào)告,預(yù)計(jì)到2030年,全球鋰電池的需求規(guī)模將達(dá)到4太瓦時(shí)(TWh)。


不可或缺的BMS系統(tǒng)


伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展,另一個(gè)技術(shù)的重要性也越發(fā)凸顯出來(lái),這就是電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS通常會(huì)與鋰電池包集成在一起,作為管理和監(jiān)控鋰電池的中樞,監(jiān)控電池的狀態(tài),防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電等情況,確保電池安全可靠地工作,并盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。具體來(lái)講,BMS的主要功能包括:


狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)電池組的SOC(荷電狀態(tài))、SOP(功率狀態(tài))和SOH(健康狀態(tài))等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量和估算,為更優(yōu)的控制決策提供依據(jù)。


能量均衡

電池組中單個(gè)電池之間性能表現(xiàn)的差異,會(huì)對(duì)電池的壽命和系統(tǒng)的使用產(chǎn)生不良影響,能量均衡就是通過(guò)彌補(bǔ)電池個(gè)體之間的差異,確保其一致性,以延長(zhǎng)電池組整體使用壽命。


保護(hù)功能

BMS通常會(huì)提供可靠的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)溫、低溫保護(hù),以及多級(jí)故障診斷保護(hù),以確保在發(fā)生故障時(shí)做出快速響應(yīng)。


數(shù)據(jù)通信

通過(guò)有線或者無(wú)線方式,BMS可以與主控單元以及其他車載設(shè)備,或者是云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)更智能化的管理。


由此不難看出,BMS就是對(duì)鋰電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、控制、反饋的一整套自動(dòng)化控制系統(tǒng),是確保電池組高效和安全運(yùn)作不可或缺的一環(huán)。隨著鋰電池市場(chǎng)的快速發(fā)展,BMS的應(yīng)用版圖也在不斷擴(kuò)大,如何打造出適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展要求的BMS解決方案,也就成了一個(gè)核心課題。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

圖1:通用汽車充電系統(tǒng)中,BMS是不可或缺的一環(huán)(圖源:Bourns)


BMS系統(tǒng)中的磁性元件


作為一個(gè)典型的功率電子系統(tǒng),BMS的開(kāi)發(fā)中自然少不了磁性元件的支撐。


磁性元件雖然看上去不起眼,卻是功率電子系統(tǒng)重要的組成要素之一,它們通常由繞組和磁芯構(gòu)成,承擔(dān)著儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換及電氣隔離等工作。常見(jiàn)的磁性元件包括變壓器和電感器兩大類,前者主要扮演變壓、濾波、儲(chǔ)能的角色,后者則承擔(dān)著平滑電源信號(hào)、解決EMI噪聲等任務(wù)。


想要開(kāi)發(fā)出一款優(yōu)秀的BMS方案,磁性元件的選型和應(yīng)用是少不了的功課。


結(jié)合BMS的典型應(yīng)用場(chǎng)景,比如車載動(dòng)力電池組中BMS(如圖1)的設(shè)計(jì)需求,我們可以大體描畫出BMS設(shè)計(jì)中理想磁性元件的樣子:


高效率

通過(guò)先進(jìn)的材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工藝,實(shí)現(xiàn)超低的DC電阻,提供更高的效率,這是衡量磁性元件性能優(yōu)劣的一個(gè)硬指標(biāo)。


小型化

更緊湊的外形,可滿足當(dāng)今功率電子系統(tǒng)更高頻率開(kāi)關(guān)的要求,且能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性增加、設(shè)計(jì)空間受限等挑戰(zhàn)。


低EMI噪聲

磁性元件(如功率電感)工作時(shí),會(huì)產(chǎn)生EMI噪聲,如何有效防止電磁波的“外泄”,是磁性元件設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要考量因素。


熱管理

一方面要通過(guò)提升效率減小熱應(yīng)力的影響,另一方面要求元件自身具有更佳的溫度穩(wěn)定性,這對(duì)于功率系統(tǒng)整體的熱管理優(yōu)化大有裨益。


穩(wěn)健性和可靠性

確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行,更大限度地延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命,這是鋰電池和BMS系統(tǒng)典型應(yīng)用場(chǎng)景的要求。


安全性

由于鋰電池系統(tǒng)會(huì)采用高壓電池,因此需要有更多安全性方面的考量(比如高壓和低壓域之間的可靠隔離),以避免人員或電路受到安全威脅。這就需要磁性元件在實(shí)現(xiàn)更緊湊設(shè)計(jì)的同時(shí),還要符合UL和IEC隔離、爬電距離和間隙等安全標(biāo)準(zhǔn)。

作為全球知名的元器件廠商,Bourns擁有超過(guò)50年的磁性元件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),可提供包括變壓器、功率電感、大電流共模扼流圈等在內(nèi)非常豐富的磁性產(chǎn)品組合,滿足BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電源轉(zhuǎn)換、隔離、EMC、信號(hào)完整性和功率密度等規(guī)格要求。


在下文中,我們將向大家介紹三款來(lái)自Bourns的產(chǎn)品,借此一起探究高效、安全、可靠的功率系統(tǒng)設(shè)計(jì),該選擇什么樣的磁性元件。


SRP大電流功率電感器


功率電感器是穩(wěn)壓器拓?fù)渲械闹匾M件,在DC-DC轉(zhuǎn)換器中,每個(gè)調(diào)節(jié)電源的電路都需要一個(gè)電感器,以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)能量、平順直流電源、濾除電路噪聲等作用。


具體到BMS的設(shè)計(jì)中,功率電感器的選型和應(yīng)用面臨著三方面的挑戰(zhàn):首先,它需要能夠滿足更大功率的要求,支持更大的電流;其次,還要有抑制EMI的能力,滿足汽車和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中嚴(yán)苛的EMC設(shè)計(jì)要求;再有,在外形上也要更為緊湊,為有限空間應(yīng)用設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。


按照上述的設(shè)計(jì)要求選型,Bourns SRP系列大電流功率電感器無(wú)疑是一個(gè)理想的選擇。歸納起來(lái),SRP系列功率電感器的“過(guò)人之處”體現(xiàn)在:

  • 具有獨(dú)特的磁屏蔽結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)低EMI輻射,因此無(wú)需在電路系統(tǒng)中使用額外的屏蔽罩,節(jié)省空間和成本。

  • 采用了扁平導(dǎo)線結(jié)構(gòu),有助于降低DCR電阻,實(shí)現(xiàn)更高的效率。

  • 采用金屬合金粉末磁芯,支持大飽和電流,非常適合于大電流、高功率應(yīng)用。

  • 同時(shí),扁平導(dǎo)線和粉末磁芯,也有利于實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形,節(jié)省系統(tǒng)空間。

  • 基于高溫分級(jí)材料制成,具有更出色的溫度穩(wěn)定性,支持高達(dá)150°C的工作溫度。


總而言之,SRP系列功率電感器采用了先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)高效和超低DC電阻,以及緊湊高效的封裝(元件高度范圍從1mm至7mm),屏蔽式的設(shè)計(jì)還優(yōu)化了EMI特性——這對(duì)于BMS這種控制電路和功率電路毗鄰的設(shè)計(jì),十分必要??梢哉f(shuō),SRP系列功率電感器集上述多種優(yōu)勢(shì)于一身,在BMS磁性元件選型時(shí),是不可錯(cuò)過(guò)的一顆料。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

圖2:SRP大電流功率電感器(圖源:Bourns)


高效高安全性的隔離變壓器


在BMS設(shè)計(jì)中,推挽式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器因其出色的特性——如更穩(wěn)定的輸入電流、更少的輸入線路噪聲,以及高功率應(yīng)用中的高效率——成為了一種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。想要實(shí)現(xiàn)推挽式低壓隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì),一款高效而安全的推挽式變壓器肯定少不了。


Bourns符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的HCT系列電源變壓器,就是為此應(yīng)用而生的。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

圖3:HCT系列電源變壓器(圖源:Bourns)


HCT系列變壓器具有3.3V至5V的輸入范圍,并提供3.3V至15V、高達(dá)350mA的輸出,可配置為各種匝數(shù)比。該系列電源變壓器采用鐵氧體環(huán)形磁芯,具有高耦合系數(shù)和高效率。


特別值得一提的是,由于采用了創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計(jì),在緊湊的封裝中增加了電流路徑長(zhǎng)度,這種新型的電源變壓器雖然外形緊湊,外殼高度僅有6.5mm,卻可提供增強(qiáng)絕緣、至少8mm的電氣間隙/爬電距離,以及5kVAC的耐壓,能夠滿足高規(guī)格的高壓隔離要求。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

圖4:HCT系列變壓器采用創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計(jì),獲得了8mm的爬電距離(圖源:Bourns)


簡(jiǎn)而言之,HCT系列高壓隔離推挽變壓器符合AEC-Q200、IEC 60950-1、IEC 62368-1以及IEC 60664-1等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為BMS中需要低直流功率與高壓隔離的場(chǎng)景提供了一種理想解決方案。


高性能BMS信號(hào)變壓器


從BMS的工作原理來(lái)看,它需要將電池狀態(tài)、數(shù)據(jù)和命令通過(guò)有線接口與主控CPU進(jìn)行通信,這些數(shù)據(jù)和信息的交互,是BMS實(shí)現(xiàn)高效、可靠閉環(huán)控制的關(guān)鍵。不幸的是,鋰電池組的高電壓,加上應(yīng)用環(huán)境(如電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng))中存在的大量電磁干擾,都會(huì)對(duì)BMS數(shù)據(jù)通信造成不良影響。為了實(shí)現(xiàn)BMS與主控CPU之間的可靠通信,就需要能夠提供高壓隔離和EMI抑制的BMS信號(hào)變壓器登場(chǎng)了。


Bourns的SM91501AL BMS信號(hào)變壓器是一款雙通道隔離變壓器模塊,支持串行菊花鏈/isoSPI,具有1600VDC工作電壓,4300VDC隔離電壓和-40°C至+125°C的擴(kuò)展工作溫度范圍。該信號(hào)變壓器集成了用于噪聲抑制的共模扼流圈,能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的信號(hào)的完整性。


SM91501AL符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)和RoHS指令,并且已經(jīng)應(yīng)用在Analog Devices和NXP的多款BMS參考設(shè)計(jì)中,經(jīng)過(guò)了實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證,有助于節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間并大幅降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。


BMS電池管理系統(tǒng)中的磁性元件:這樣選,就對(duì)了!

圖5:SM91501AL BMS信號(hào)變壓器(圖源:Bourns)


本文小結(jié)


在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái),BMS市場(chǎng)將伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展,進(jìn)入一個(gè)快速上升通道,這也為相關(guān)的元器件帶來(lái)新的商機(jī)。對(duì)于功率電子系統(tǒng)中不可或缺的磁性元件,更是如此。


當(dāng)然,能夠搭上BMS市場(chǎng)快車的磁性元件產(chǎn)品,需要滿足一系列特殊的設(shè)計(jì)要求,在效率、熱性能、EMI特性、小型化設(shè)計(jì)、可靠性和安全性等方面,必須有異于通用產(chǎn)品的突出優(yōu)勢(shì)。


Bourns依托數(shù)十年的專業(yè)積累,可以為BMS設(shè)計(jì)提供完整的磁性元件產(chǎn)品組合。通過(guò)本文的介紹,你應(yīng)該能夠體會(huì)到:想要開(kāi)發(fā)出高效、安全、可靠,具有競(jìng)爭(zhēng)力的BMS產(chǎn)品,從中選出你心儀的物料,就對(duì)了!

文章來(lái)源:貿(mào)澤電子

 

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