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新能源汽車BMS系統(tǒng)
新能源汽車指采用非內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，而使用電能、太陽能等無污染或低污染能源作為動力驅(qū)動的汽車?，F(xiàn)階段新能源汽車的銷售主力是電動汽車和混合動力汽車。對于汽車輕混系統(tǒng)，需要在傳統(tǒng)燃油車12V蓄電池的基礎(chǔ)上增加48V；對于強(qiáng)混系統(tǒng)或純電動汽車，則需要在12V蓄電池的基礎(chǔ)上增加一個(gè)400V甚至更高電壓的動力電池。汽車中的這種多電壓系統(tǒng)要求必須使用隔離電路，以保護(hù)低壓側(cè)零部件和電路免受高壓電池側(cè)帶來的損害。隔離電路的設(shè)計(jì)給傳統(tǒng)車輛設(shè)計(jì)人員帶來了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是電池管理系統(tǒng)（BMS）的最關(guān)鍵部分之一。
電池管理系統(tǒng)是電動汽車和混合動力汽車的核心部件，其主要作用就是保證鋰電池使用安全性、精確估算剩余電量、延長電池使用壽命并降低運(yùn)行成本。隨著消費(fèi)者對新能源汽車?yán)m(xù)航能力以及電池安全性的重視程度不斷提高，電池管理技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。
BMS硬件拓?fù)浼軜?gòu)主要分為集中式和分布式兩種類型，如圖1所示。集中式架構(gòu)是將單體電壓采樣、溫度采集單元、電流采樣和繼電器控制等所有電路集成到一塊大的BMS板中。這種電路設(shè)計(jì)相對簡單，成本較低，主芯片與各AFE電池前端采集芯片之間的通訊也相對簡單。其缺點(diǎn)是單體采樣的線束比較長，整個(gè)包的線束排布也比較麻煩。因此，集中式架構(gòu)比較合適電池包容量比較小、模組及電池包型式比較固定的場合。
01
a) 集中式
02
b) 分布式
圖1? BMS拓?fù)浼軜?gòu)
分布式架構(gòu)是將電芯管理單元（CSU）和電池管理控制器（BCU）分離開來獨(dú)立成板。BCU稱作主板，CSU是從板，一塊CSU從板可能含一片或多片AFE電池前端采集芯片。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是模組裝配過程簡化，通道利用率較高，系統(tǒng)配置靈活，適應(yīng)不同容量、不同規(guī)格型式的模組和電池包。
其缺點(diǎn)是成本較高，各CSU需要獨(dú)立的CAN收發(fā)器配合額外的MCU與BCU進(jìn)行通訊。雖然市面上已經(jīng)出現(xiàn)了在BCU和CSU之間采用成本更低的菊花鏈通訊，但各個(gè)AFE電池前端采集芯片供應(yīng)商提供的菊花鏈通訊都不兼容，并且穩(wěn)定性方面也存在一定問題，如長距離通訊不穩(wěn)定、BCI抗干擾能力較弱等。
榮湃數(shù)字隔離器在BMS中的應(yīng)用
榮湃半導(dǎo)體提供完整系列的1~6路數(shù)字隔離器；1.5KV，3KV，5KV三種隔離耐壓產(chǎn)品可供選擇；150Kbps(U系列)、10Mbps(M系列)、200Mbps(E系列) 、600Mbps(A系列)的數(shù)據(jù)傳輸率四檔可選。此外，眾多產(chǎn)品通過AEC-Q100 Grade 1車規(guī)認(rèn)證，十分適合用于噪聲敏感和抗干擾要求高的BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
榮湃數(shù)字隔離器采用自主知識產(chǎn)權(quán)的智能分壓技術(shù)（iDivider技術(shù)），它應(yīng)用了電容分壓的原理，直接把電壓信號從電容一邊傳到另一邊，不需要RF信號和調(diào)制解調(diào)，發(fā)揚(yáng)了其它隔離技術(shù)（如光耦的opto-coupler 技術(shù)，icoupler 技術(shù)，OOK技術(shù)等）的優(yōu)點(diǎn)，也最大限度的優(yōu)化了其它隔離技術(shù)的不足，是一種更本質(zhì)更簡潔的隔離信號傳輸技術(shù)，智能分壓（iDivider）技術(shù)電路大大簡化，功耗更低，速度更快，抗干擾能力增強(qiáng)，噪聲更低。
圖2所示是集中式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，所有AFE電池前端采集芯片、電池管理相關(guān)功能電路都集成在同一塊電池管理控制器中?？刂破鞣譃榈蛪簠^(qū)和高壓區(qū)：低壓區(qū)有微處理器MCU和非高壓相關(guān)電路；高壓區(qū)包含高壓采樣、電流采樣和絕緣檢測等與電池包電壓、電流相關(guān)的處理電路。在早期的設(shè)計(jì)中，高壓區(qū)也使用MCU，處理信號的同時(shí)與低壓區(qū)MCU相互監(jiān)控，以滿足功能安全的要求。隨著單芯片功能安全MCU的普及，高壓區(qū)不再需要MCU，使用帶數(shù)字通訊接口的ADC即可。高壓區(qū)不管是使用MCU還是ADC，都需要使用支持SPI接口的數(shù)字隔離器進(jìn)行通訊，榮湃四通道數(shù)字隔離器π141E60Q是滿足此應(yīng)用的車規(guī)級產(chǎn)品。
圖2? 榮湃數(shù)字隔離器在集中式BMS的應(yīng)用
由于各個(gè)AFE電池前端采集芯片的參考地電壓均不相同，其與低壓區(qū)MCU之間的通訊也需要隔離，市面上AFE通常支持的通訊接口為UART或SPI。榮湃兩通道數(shù)字隔離器π122E61Q是一款性價(jià)比極高的支持UART通訊的車規(guī)級產(chǎn)品，而SPI通訊仍舊可以使用π141E60Q。
圖3所示是分布式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)電池管理控制器（BCU）配備多個(gè)電芯管理單元（CSU）形成整個(gè)電池管理系統(tǒng)。同樣地，在電池管理控制器（BCU）中，同時(shí)存在高壓區(qū)與低壓區(qū)，需要用到數(shù)字隔離器。與集中式架構(gòu)不同的是，AFE電池前端采集芯片處在單獨(dú)的電芯管理單元中，其與主控MCU可能離得相當(dāng)遠(yuǎn)，顯然再用板內(nèi)SPI通訊不合適，需要使用魯棒性高的板間通訊方式，如CAN。CAN收發(fā)器需要配合CAN控制器才能正常工作，通常使用一個(gè)集成CAN控制器功能的小MCU實(shí)現(xiàn)。同樣地，因?yàn)镃AN收發(fā)器需要參考低壓區(qū)地，所以AFE與CAN控制器之間的通訊需要隔離。π141E60Q和π122E61Q仍然是非常符合分布式BMS隔離應(yīng)用的數(shù)字隔離器產(chǎn)品。
圖3? 榮湃數(shù)字隔離器在分布式BMS的應(yīng)用
使用菊花鏈取代CAN總線是BMS降低成本的一個(gè)重要設(shè)計(jì)思路。菊花鏈一般使用微控制器SPI或UART串行通訊接口，通過通訊轉(zhuǎn)換芯片將信號轉(zhuǎn)換為差分信號。主板以差分信號的形式與第一個(gè)AFE板子進(jìn)行通訊，差分信號從第一個(gè)AFE板子出來后，依次進(jìn)入后序的AFE板子，這樣主板最終得以與所有AFE板子通訊。差分信號隔離所支持的器件一般為變壓器和電容，如集中式架構(gòu)板內(nèi)通訊可以使用電容隔離，而分布式架構(gòu)板間通訊可以使用變壓器隔離。
雖然菊花鏈技術(shù)具有非?？捎^的成本優(yōu)勢，但其通訊速率低、BCI抗干擾能力弱、通訊協(xié)議不兼容等缺點(diǎn)是亟待解決的痛點(diǎn)。在需要通訊數(shù)據(jù)量大、長距離穩(wěn)定傳輸?shù)雀咝枨髴?yīng)用場合，CAN(FD)總線配合數(shù)字隔離器仍是不二選擇。
榮湃數(shù)字隔離器性能優(yōu)勢
榮湃兩通道數(shù)字隔離器π122E61Q和四通道數(shù)字隔離器π141E60Q都具有5KVrms隔離耐壓，0.58mA/通道的超低靜態(tài)功耗，200Mbps的通訊速率，僅為9ns的低傳輸延遲。EMC問題特別是RE輻射超標(biāo)是困擾BMS研發(fā)工程師的一大難題。得益于先進(jìn)的iDivider技術(shù)，與其他廠商數(shù)字隔離器相比，這兩款芯片在電磁輻射和抗干擾能力上具有顯著的性能優(yōu)勢，十分適合用于BMS中的SPI和UART通訊隔離。
圖4是參考CISPR 32:2015 Class B標(biāo)準(zhǔn)的榮湃四通道數(shù)字隔離器輻射發(fā)射（RE）測試結(jié)果。可以看到在30MHz~230MHz頻段和230MHz~1GHz頻段與超標(biāo)限值相比都有很大的裕量。
01
a) 30MHz~1GHz 水平
02
b) 30MHz~1GHz 垂直
圖4? 榮湃數(shù)字隔離器輻射發(fā)射測試結(jié)果
同樣地，榮湃數(shù)字隔離器可以通過參照IEC 61000-4-8:2009工頻磁場抗擾度實(shí)驗(yàn)，滿足性能判定A等級。
榮湃半導(dǎo)體自推出車規(guī)級數(shù)字隔離器以來，已經(jīng)成功打開新能源汽車BMS應(yīng)用市場并進(jìn)入國內(nèi)主流OEM、電池生產(chǎn)商和Tier1的BMS項(xiàng)目中，每月都有穩(wěn)步上升的大批量出貨。這些項(xiàng)目的順利批產(chǎn)和運(yùn)行說明了榮湃數(shù)字隔離器產(chǎn)品的性能完全符合BMS項(xiàng)目應(yīng)用，也驗(yàn)證了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，滿足新能源汽車應(yīng)用。
