芯耀
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最近和幾位朋友討論在電池系統(tǒng)中電池管理系統(tǒng)和電氣設(shè)計(jì)的趨勢，我們都認(rèn)為在技術(shù)方案演變過程中，主導(dǎo)權(quán)越來越傾向于垂直一體化的企業(yè)（車企開始做電池，電池企業(yè)開始做CTC一體化底盤和域控制器）。在大容量電池需要兼容400V和800V的情況下，出現(xiàn)了一種智能配電方案設(shè)計(jì)，對電池管理系統(tǒng)功能分解方案帶來新的變化。
▲圖1. 智能化方向發(fā)展的智能配電盒設(shè)計(jì)
智能配電設(shè)計(jì)這個(gè)智能配電方案設(shè)計(jì)，最早要追溯到歐洲的PHEV系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如下所示：
▲圖2. 獨(dú)立的高壓智能配電盒
隨著電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要功能，從基本的監(jiān)測電芯電壓、電池組電壓和電池組電流，到監(jiān)測各個(gè)電芯的電壓和溫度，逐漸開始存儲(chǔ)傳輸?shù)皆贫瞬⑦M(jìn)行大數(shù)據(jù)層面的分析，這讓整個(gè)電池管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)都可以簡化。
圖1的示意圖中可以看出，在傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)BMS架構(gòu)中，電池管理系統(tǒng)是放在高壓側(cè)的，內(nèi)部主控單片機(jī)MCU包含了全部的采樣功能，包括高壓側(cè)電壓采樣、絕緣阻抗采樣和電流采樣，而電氣配電盒（BJB）只包含高壓接觸器、保險(xiǎn)絲（熱熔）和電流傳感器，這種方式從系統(tǒng)整體布局來看，高壓采集線纜布局的困難較大，多個(gè)接觸器的高壓采樣點(diǎn)最終都要連接到BMU上，且BJB需要通過線纜連接到隔離模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。
隨著CTP的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮400V、800V兼容，并且由于快充的需求，整個(gè)電流范圍也越來越高，并且需要導(dǎo)入Pyro-fuse的使用，如何減少BMS系統(tǒng)空間并簡化整個(gè)線束布置，就成了設(shè)計(jì)的主要考慮方向。在圖1右方的是電動(dòng)汽車早幾年開始流行的智能配電盒BJB，配電盒內(nèi)部具有專用的電池組監(jiān)控器，可以測量所有的電壓和電流，并通過串行通信協(xié)議將信息傳遞給MCU。
這種智能BJB的主要優(yōu)勢是可以簡化線束并優(yōu)化布線就近設(shè)計(jì)，可以對高壓側(cè)電壓和電流進(jìn)行測量，同時(shí)整個(gè)軟硬件也可進(jìn)行簡化，使用同系列器件完成單體電壓采樣和高壓電流采樣，兩者的架構(gòu)和寄存器也非常相似，并且可以同步電池組電壓和電流測量，減低SOC測算難度。
▲圖3. BJB內(nèi)部高壓及電流采樣
圖3是一個(gè)典型的參考設(shè)計(jì)，采用的TI BQ79631-Q1測量不同位置高壓、電流和溫度，其中對高壓電壓采樣使用分壓電阻實(shí)現(xiàn)，對分流電阻進(jìn)行溫度采樣。在大電流快充持續(xù)時(shí)間越來越長的情況下，可以方便單片機(jī)MCU進(jìn)行溫度補(bǔ)償；在電流采樣更高功能安全等級(jí)的需求下，系統(tǒng)也可使用霍爾效應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)電流的隔離采樣。
▲圖4. 電池管理云端平臺(tái)
云端電池管理系統(tǒng)中對于采集到的數(shù)據(jù)，不止可以在本地MCU進(jìn)行分析，更重要的是從長期數(shù)據(jù)分析角度來看，單體電壓、Pack電壓和電流同步采樣信息就變得非常關(guān)鍵——基于這些數(shù)據(jù)的深度分析，可以在后臺(tái)對每個(gè)電芯和整個(gè)電池系統(tǒng)進(jìn)行評估來判斷電池的真正差異性，并通過計(jì)算電池阻抗來監(jiān)測電池的長期特性。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。從電池管理系統(tǒng)和云端分析角度來看，需要將電壓和電流采樣的延遲控制在1ms內(nèi)，滿足這項(xiàng)要求的主要難點(diǎn)在于：
1） 所有電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器都有不同的時(shí)鐘源，采集信號(hào)過程本身就不同步。
2） 在800V電池系統(tǒng)里面，串聯(lián)的電池監(jiān)控器數(shù)量大大提高，每個(gè)電池監(jiān)控器可以測量6至18個(gè)電芯，每個(gè)電芯的數(shù)據(jù)長度為16位。大量數(shù)據(jù)需要通過菊花鏈通信接口傳輸，會(huì)消耗電壓和電流同步所需的時(shí)間預(yù)算。
3） 電壓電流采樣的濾波器均會(huì)影響信號(hào)延時(shí)，導(dǎo)致電壓和電流同步延遲。
從這方面考慮，電池監(jiān)控器芯片的選擇就很重要，TI的BQ79616-Q1、BQ79614-Q1和BQ79612-Q1可以通過向電池監(jiān)控器和電池組監(jiān)控器發(fā)出ADC啟動(dòng)命令來保持時(shí)間同步，通過支持延遲ADC采樣來補(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。
▲圖5. 高集成化的控制器涵蓋了BMS的計(jì)算任務(wù)
小結(jié)：
隨著電池管理的主要架構(gòu)從BMS本身往三電域控制器甚至是整車域控制器轉(zhuǎn)移，在電池管理系統(tǒng)里，需要簡化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來降低BMS復(fù)雜性，同時(shí)要提升系統(tǒng)安全性。簡化設(shè)計(jì)之后，新方案可以提升電壓和電流采樣的精度，通過有效的電壓電流同步技術(shù)，可以對電池運(yùn)行狀態(tài)、充電狀態(tài)和電池阻抗進(jìn)行精確計(jì)算。
參考文件：
Intelligent junction box withvoltage and current synchronization in EVs
Functional SafetyConsiderations in Battery Management for Vehicle Electrification
