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如何設(shè)計(jì)適用于高級(jí)電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的智能電池接線(xiàn)盒

發(fā)布時(shí)間:2023-02-03 來(lái)源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著電動(dòng)汽車(chē) (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(chē)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,成為汽車(chē)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。 


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圖 1:傳統(tǒng)的 BMS 架構(gòu) (a);具有智能電池接線(xiàn)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(xiàn)盒 (BJB)。BMU 通常包含一個(gè)微控制器 (MCU),用來(lái)管理電池包中的所有功能。傳統(tǒng)電池接線(xiàn)盒是具有電源接觸器的繼電器盒或開(kāi)關(guān)盒,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(xiàn)盒內(nèi)部沒(méi)有有源電子產(chǎn)品,電池接線(xiàn)盒中所有的測(cè)量都在電池管理單元BMU進(jìn)行。電池接線(xiàn)盒通過(guò)線(xiàn)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(xiàn)盒。接線(xiàn)盒內(nèi)部具有專(zhuān)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(guò)簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)通信將信息傳遞給 MCU。這有助于消除布線(xiàn)和線(xiàn)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(xiàn)盒內(nèi)所測(cè)量的不同高電壓、電流和溫度。


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圖 2:電池接線(xiàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。此類(lèi)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,以確保其承受的負(fù)荷不超出正常運(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(chē)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 25μO(píng)hms 至 50μO(píng)hms;

    ○ 霍爾效應(yīng)傳感器 - 用于測(cè)量電動(dòng)汽車(chē)高電壓回路上的電流,這種測(cè)量方式是隔離的。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(lái)測(cè)量整個(gè)范圍。

 

過(guò)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(guò)流事件。集成在電池接線(xiàn)盒單元中的過(guò)流檢測(cè)電路將使用通過(guò)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(guò)專(zhuān)用輸出發(fā)出過(guò)流事件信號(hào),用于啟用保險(xiǎn)絲驅(qū)動(dòng)器來(lái)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(zhuān)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電池包監(jiān)測(cè)器和電芯監(jiān)測(cè)器進(jìn)行電流和電壓采樣存在的延時(shí)時(shí)間。這些測(cè)量主要用于通過(guò)電化學(xué)阻抗跟蹤分析 (EIS) 來(lái)計(jì)算荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量電芯的電壓、電流和功率來(lái)計(jì)算電芯阻抗,BMS 就可以監(jiān)測(cè)汽車(chē)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(chēng)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)航里程就越精確。


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(mǎn)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(guò)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(lái)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(guò)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(xiàn)盒的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)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(chē)輛不同物理位置模塊中的各類(lèi)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(guò)菊花鏈接口傳輸?shù)?I2C 或 SPI 數(shù)據(jù),從而減少了布線(xiàn)和線(xiàn)束,進(jìn)而降低了電動(dòng)汽車(chē)的整體重量。


汽車(chē)行業(yè)的大規(guī)模電氣化發(fā)展促使需要通過(guò)在接線(xiàn)盒中添加電子產(chǎn)品來(lái)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(xiàn)盒的性能,并降低其未來(lái)成本。通過(guò)有效的電壓和電流同步,可以對(duì)健康狀況狀態(tài)、荷電狀態(tài)和 EIS 進(jìn)行精確計(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)精確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)。


作者:Issac Hsu,德州儀器(TI)電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理



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