【導讀】電池組是電動汽車最重要的部件之一，就成本而言，它幾乎占到車輛成本的40%。電池組包括為電動汽車傳動係統供電的鋰離子電池，以及一種名為電動汽車電池管理係統（BMS）的智能解決方案。

圖源：rawpixel-com/freepik.com

電動汽車BMS又分為低壓（LV）和高壓（HV）兩類。其中，≤30VAC和≤60VDC屬於低壓級別，主要應用於輕型電動和混合動力車輛（2輪或3輪車）
；高壓BMS有兩個級別
，工作電壓範圍分別為≤600VAC和≤900VDC以及≤1,000VAC和≤1,500VDC，主要應用於電動汽車、電動巴士、電動卡車（4輪車）等

，這些車輛常常需要串聯和並聯多個鋰離子電池
，例如400V
、20kWh電動巴士的高壓BMS（含LiFePO4電池）就由125個串聯電池和1個並聯電池組成。

從(cong)物(wu)理(li)特(te)性(xing)來(lai)看(kan)
，鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)爆(bao)炸(zha)威(wei)力(li)類(lei)似(si)於(yu)小(xiao)型(xing)炸(zha)藥(yao)
，未(wei)經(jing)控(kong)製(zhi)的(de)熱(re)失(shi)控(kong)會(hui)導(dao)致(zhi)爆(bao)炸(zha)和(he)火(huo)災(zai)的(de)發(fa)生(sheng)，對(dui)車(che)輛(liang)乘(cheng)員(yuan)來(lai)說(shuo)這(zhe)個(ge)潛(qian)在(zai)的(de)威(wei)脅(xie)可(ke)能(neng)是(shi)致(zhi)命(ming)的(de)。因(yin)此(ci)，密(mi)切(qie)關(guan)注(zhu)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)電(dian)壓(ya)、電荷和溫度等參數的變化非常重要。從應用角度來看，為了從一次充電中獲得更多裏程、減少充電時間，且盡可能地地降低電動汽車電池組的總成本，除了嚐試采用新的電池化學成分以及新的架構外
，電動汽車高壓BMS的高效設計也非常關鍵。

BMS：電動汽車安全可靠工作的守護者

鋰li離li子zi電dian池chi具ju有you高gao充chong電dian密mi度du，為wei大da多duo數shu電dian動dong汽qi車che提ti供gong動dong力li。不bu過guo，這zhe些xie電dian池chi組zu在zai使shi用yong過guo程cheng中zhong存cun在zai著zhe高gao度du不bu穩wen定ding性xing和he安an全quan隱yin患huan。因yin此ci，這zhe些xie電dian池chi在zai任ren何he時shi候hou都dou不bu應ying處chu於yu過guo度du充chong電dian或huo達da到dao深shen度du放fang電dian狀zhuang態tai。

熱(re)失(shi)控(kong)通(tong)常(chang)是(shi)指(zhi)充(chong)電(dian)或(huo)過(guo)度(du)充(chong)電(dian)時(shi)流(liu)過(guo)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)過(guo)熱(re)，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)將(jiang)損(sun)害(hai)電(dian)池(chi)的(de)壽(shou)命(ming)或(huo)容(rong)量(liang)。不(bu)同(tong)鋰(li)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)的(de)不(bu)一(yi)致(zhi)性(xing)是(shi)必(bi)然(ran)存(cun)在(zai)的(de)一(yi)種(zhong)現(xian)象(xiang)，要(yao)想(xiang)保(bao)證(zheng)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)安(an)全(quan)高(gao)效(xiao)運(yun)行(xing)，這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)必(bi)須(xu)同(tong)時(shi)工(gong)作(zuo)在(zai)狹(xia)小(xiao)的(de)安(an)全(quan)窗(chuang)口(kou)內(nei)。

在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)一(yi)管(guan)理(li)過(guo)程(cheng)非(fei)常(chang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)
，因(yin)為(wei)在(zai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)中(zhong)，許(xu)多(duo)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)被(bei)組(zu)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)

，每(mei)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)都(dou)需(xu)要(yao)單(dan)獨(du)監(jian)控(kong)，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)安(an)全(quan)和(he)高(gao)效(xiao)運(yun)行(xing)，電(dian)池(chi)數(shu)量(liang)越(yue)多(duo)，管(guan)理(li)難(nan)度(du)就(jiu)越(yue)大(da)。此(ci)時(shi)
，堪(kan)稱(cheng)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)守(shou)護(hu)者(zhe)的(de)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)（BMS）的作用就極為重要。

電動汽車BMS是控製電池組正常工作的中央單元，它能確保鋰離子電池安全、可靠和高效運行，通常通過監測和測量電池參數並評估SoC（充電狀態）和SoH（健康狀態）來管理電池組。BMS主要通過確保電池組在SoA（安全操作區）下安全地工作
，從而保護電池組中的電池；電池數量越多，BMS的設計難度越大。以Model3為例

，它的BMS需管理2,976節21700電池，或許是目前市場上複雜度最高的電動汽車電池管理係統之一。

BMS常常被看作是電池組的大腦
，它的主要功能是保證電動汽車的電池受到保護，防止任何超出其安全極限的操作。以下是電動汽車BMS執行的四大常規功能：

1 電池監測

zaichongdianhuofangdianshi，xuyaosuishiduidianchijinxingjiance，renhebufuheguifandeqingkuangdoubixuzaichufaanquanjizhidetongshijinxingshibiehebaogao。zaicijieduan，xuyunxingyixiesuanfalaijisuanchongdianzhuangtai（SoC）和健康狀態（SoH）。在這裏
，監測SoC可確保電池不會過充或充電不足。有時SoC也被視為電動汽車的“燃料”指示器，它能顯示電池中剩餘的電量

，並據此確定車輛的續航裏程。SoH是電池整體健康狀況的指標，可洞察電池的運行狀況
，根據這些信息，可以預測電池壽命並製定維護計劃。

2 功率優化

電池監測的直接結果是對電池功率進行優化。當電池監測功能確定了SoC和SoH後
，電動汽車BMS的工作就是將SoC和SoH參數保持在規定值內。當電池充電時，BMS確定單個電池中允許流過多少電流。在電動汽車運行期間
，電池處於放電狀態，BMS要確保電壓水平不會過低。

3 電動汽車的安全性

未檢測到的電池熱失控可能會導致重大安全事故。BMS通過采集電壓
、溫度和電流等數據以優化功率，類似的數據也常常用於保證車輛的安全性
，以符合ISO26262等標準的要求。當然，車輛的安全性也涉及到另一個方麵的要求，即車身/底盤與電池組必須絕緣，以避免對車輛乘員造成電擊。

4 電池充電優化

電池的健康狀況會隨著時間的推移而不斷變差。比如，電芯受熱後有時會出現輕微損壞
，並開始以低於其他電芯的電壓充電。BMS要能夠識別此故障並優化充電過程
，以便所有電池都以較低的電壓充電，以此減少整個電池組的壓力，提高整體壽命。當然，BMS診斷也會將此問題存儲為故障代碼
，以便在稍後階段修複。此外，電池端子的氧化也可能導致電壓降低，BMS需要適應這些變化並使電池達到最佳性能。

BMS設計的技術考慮

在設計BMS時
，必須考慮各種因素，主要應包含四個關鍵功能：

一是參數估算。要能估算電芯級和組件級的SoC、SoH，並通過CAN與控製器通信。

二是數據存儲。BMS應記錄來自電池組和單個電芯的電信號，並將其存儲在內置存儲器中。

三是控製功能。BMS需要測量溫度、電壓和電流
，並控製這些參數以實現電芯的平衡。

四是診斷功能。預測故障
、監測電芯的變化
、感知錯誤、識別安全風險並向駕駛員發送信息以供決策。

#01 TI BQ79616-Q1

BQ79616-Q1是TI公司提供的汽車類16節串聯精密電池監控器、平衡器和集成保護器
，符合ASIL-D標準，在不到200µs的時間內為HEV/EV中高壓電池管理係統中的16S電池模塊提供高精度電池電壓測量。

借助集成式前端濾波器
，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實施係統。集成的ADC低通濾波器可以執行經過濾波、類似於直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態（SoC）。該器件還支持自主內部電池平衡，並通過監測溫度來自動暫停和恢複平衡，以免出現過熱條件。

此外，器件中包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進行隔離
，並且能夠使用更高效的組件實現xEV動dong力li總zong成cheng係xi統tong中zhong常chang見jian的de集ji中zhong式shi或huo分fen布bu式shi架jia構gou。在zai通tong信xin線xian路lu中zhong斷duan的de情qing況kuang下xia，菊ju花hua鏈lian通tong信xin接jie口kou可ke配pei置zhi為wei環huan形xing架jia構gou，允yun許xu主zhu機ji與yu堆dui棧zhan兩liang端duan的de設she備bei通tong信xin。器qi件jian中zhong的de8個GPIO或輔助輸入可執行外部熱敏電阻測量。

圖1：簡化版BQ79616-Q1係統框圖

（圖源：TI）

BMS在測量電芯的電流和電壓後，會將相關信息發送給一個應用程序，該應用程序將確定電池的SoC狀態。這些測量值通過計算電池的實際最大容量（隨著時間的推移而減少），幫助確定電池的健康狀態（SoH）和剩餘使用壽命（RUL），並據此估計電池是否仍適合運行或需要更換。通過確定每個電芯的SoC和SoH
，BMS可以平衡其充電和放電，以確保所有電芯的一致性，從而延長電池壽命並提高性能。

#02 STMicroelectronics L99963E

STMicroelectronics的鋰離子電池監測和保護芯片L99963E，在確保電池安全運行方麵發揮著至關重要的作用。傳統上，工程師們關注的首要BMS特性是其準確性，因此，BMS不僅要高精度地測量每個電池單元的狀態

，而且還必須非常快速地進行測量

，否則，應用程序將無法提供反映實際充電狀態的結果。

L99963E在測量電流以了解每個電芯的實際容量時提供了極高的精度，最大誤差僅為±2mV。此外，L99963E還具有冗餘功能
，能夠交叉檢查模數轉換器（ADC）

，以確保其準確性，如果它們不再可靠
，該模塊可以迫使相鄰的ADC接管故障ADC並解決問題。菊花鏈中的L99963E還通過提供2.66Mbps帶寬的串行總線進行通信，而市場上很多產品的帶寬都在1Mbps左右。讀取和處理434個電芯
，L99963E僅僅需要4ms至16ms的時間。

一個成功的BMS方案從最初的方案設計到最終產品落地，設計過程絕非易事。為此，ST為L99963E提供了兩個評估板：一個是EVAL-L99963E-MCU，它包括一個微控製器，並帶有圖形用戶界麵STSW-L9963E，以幫助開發人員更快地創建應用程序。另一個是EVAL-L99963E-NDS，可將多個L99963E放在菊花鏈中。

圖2：鋰離子電池監測和保護芯片L99963E係統框圖

（圖源：STMicroelectronics）

傳統BMS有三個主要子係統：電池管理單元（BMU）
、電池接線盒（BJB）和電池監控單元（CSU）。BMU包含主控MCU，負責電池組的充電狀態（SoC）和健康狀態（SoH）計算。SoC和SoH的精確測量是降低成本並準確表示電池壽命和續航裏程的關鍵。此外，電池組電壓和電流監測、絕緣電阻測量以及接觸器和熱熔絲驅動器所需的大部分電子設備都在BMU上。CSU包含用於電池電壓和溫度監控的電子設備
，而BJB主要是一個機電箱，分流器、接觸器和熱熔斷器都在這個箱子裏。

#03 NXP HVBMS

NXP的高壓電池管理係統（HVBMS）參考設計采用ASIL D架構，由電池管理單元（BMU）
、電芯監測單元（CMU）和電池接線盒（BJB）3個模塊組成。RD-HVBMSCTBUN是該公司HVBMS的參考設計套件，是一個完整的硬件解決方案。

其中
，BMU是電池管理係統的控製部分，它處理來自其他BMS模塊的各種數據，做出確保BMS安全的決策
，同時與整車控製器（VCU）通信，並驅動將電池連接到汽車係統的接觸器。

RD-K344BMU是用於開發電池管理單元（BMU）的參考設計，有助於HVBMS硬件和軟件的快速成型。該開發板主要由NXP的S32K344
、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等器件構成。

RD33775ACNTEVB是支持電子傳輸協議鏈路（ETPL）通信的集中式單體電池監控單元（CMU）參考設計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的四個MC33775A模擬前端（AFE）。MC33775A是14通道鋰離子電池控製器（BCC）
，4個MC33775A最多能容納56個單體電池
，可通過向菊花鏈添加更多CMU進行擴展。

RD772BJBTPLEVB是NXP HVBMS解決方案中的電池接線盒（BJB）參考設計
，這個評估板包含兩個MC33772C電池傳感器，可用於冗餘的高壓和電流測量
，並進行隔離測量。根據NXP官網的信息，上述產品目前僅對部分簽署了保密協議（NDA）的客戶開放。

圖3：NXP電池管理係統解決方案參考平台框圖

（圖源：NXP）

電動汽車BMS設計正在走向無線化

在電動汽車中，電池管理係統（BMS）是確保車輛安全、續航裏程和可靠性的關鍵係統，如今這一係統將迎來新一波創新浪潮。傳統的BMS架構需要在BMU和BJB之(zhi)間(jian)鋪(pu)設(she)許(xu)多(duo)電(dian)纜(lan)
，不(bu)僅(jin)會(hui)占(zhan)用(yong)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)寶(bao)貴(gui)空(kong)間(jian)，還(hai)增(zeng)加(jia)了(le)汽(qi)車(che)的(de)重(zhong)量(liang)。得(de)益(yi)於(yu)一(yi)些(xie)主(zhu)要(yao)半(ban)導(dao)體(ti)公(gong)司(si)的(de)一(yi)係(xi)列(lie)新(xin)產(chan)品(pin)，當(dang)今(jin)先(xian)進(jin)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)BMS設計正在走向無線化。

向無線BMS技術轉變的汽車BMS將帶來多項優勢：

減輕重量

diandongqichedianchixitongzhongdedianlanhexianshufeichangbenzhong，yichuzhexiedianlankeyouxiaojianqingzongzhongliang，bingweidianchicangzhongdeqitaxitongtigonggengduokongjian。quchudianlanhou，xitongzhongdexuduopeijianhelianjieqiyejiangyitongbeiyichu，chengbenyehuixiangyingjiangdi。

消減電纜設計成本

有線BMS中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)纜(lan)是(shi)需(xu)要(yao)定(ding)製(zhi)
，並(bing)且(qie)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)。通(tong)常(chang)，每(mei)種(zhong)型(xing)號(hao)的(de)車(che)輛(liang)都(dou)需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)，每(mei)年(nian)還(hai)要(yao)對(dui)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)重(zhong)大(da)更(geng)改(gai)。采(cai)用(yong)全(quan)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)可(ke)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)這(zhe)些(xie)成(cheng)本(ben)。

組件易於模塊化

因為無線BMS不需要專有的電纜組件和線束，所以剩餘的組件和係統可以高度模塊化，第三方供應商也更容易參與到設計中來。

維護更簡單

移除電纜後電池的檢查和更換更方便。

綜合來看，電動汽車電池管理係統的無線化擺脫了CAN總線和SPI電纜帶來的困擾。采用無線架構後，用於連接電池
、監視器
、主機控製器、外圍設備和任何外部係統的傳統電纜在很大程度上都將被無線通信所取代。

如果輸出接口在IEEE 802.3ch汽車以太網中實現，則可以進一步減少電纜數量、降低線束重量
，延遲也會縮短。無線BMS設計是在ISM頻帶（2.4GHz）中工作的短距離射頻（RF）係統。作為一種短距無線係統，用於電動汽車的無線BMS設計與其他無線網絡係統一樣也會麵臨很多設計挑戰。

比如，係統中的監控單元和主機控製器需要在車輛啟動期間形成初始網絡，並且這一過程需要非常快速地完成。延遲、多徑誤差和輻射噪聲等問題會使這一過程更加困難。此外，這些係統最好是低功耗的
，以確保運行期間的低溫和長期可靠性。

電動汽車BMS行業的機遇

從市場規模來看，全球電池電動汽車市場2020年底達到797萬輛，預計到2030年底將達到9,510萬輛。挪威道路聯合會2023年1月2日發布的最新數據顯示

，這個北歐國家2022年售出的新乘用車中，將近八成是純電動汽車，刷新了該國的曆史紀錄。挪威人口約550萬，去年共售出138,265輛純電動車
，占新乘用車總銷量的79.3%，大幅超過2021年的64.5%。

中國是全球電動汽車市場的重要參與者
，政府不斷鼓勵人們使用電動汽車，並計劃到2040年全麵禁止柴油和汽油車輛。從工信部發布的統計數據來看，2022年1－9月，中國新能源汽車產銷分別完成471.7萬輛和456.7萬輛，同比分別增長1.2倍和1.1倍，市場占有率達到23.5%。其中純電動汽車產銷分別完成368.2萬輛和357.8萬輛，同比分別增長1.0倍和97.9%；插電式混合動力汽車產銷分別完成103.3萬輛和98.7萬輛，同比分別增長1.9倍和1.7倍。

圖4：2017年-2022年國內月度新能源汽車銷量及同比變化情況（圖源：工信部官網）

從市場價值來看
，根據Beyond Market Insights的數據，2021全球電動汽車市場的規模約為1,785億美元，預計到2030年將增長至約11,088億美元，2022年至2030年間的複合年增長率約為22.5%。考慮到每台車都會配備一套BMS係統，因此，BMS市場將是一個潛力巨大的市場。

根據Meticulous Market Research的預測，電動汽車BMS市場預計到2029年將達到373億美元，2022年至2029年的複合年增長率為30.5%，該市場的增長主要歸因於電動汽車的日益普及。根據配置，2022年，96至132節電池組預計將占據電動汽車電池管理係統市場的最大份額，HVBMS也將成為增長最快的市場。然而，缺乏開發BMS的標準化法規，以及係統成本高昂，也會對電動汽車BMS市場的增長帶來不利影響。

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息

，版權歸原作者所有。本文所用視頻


、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

太陽能電池為傳感器與物聯網設備提供源源不絕的電力

100G QSFP ZR4 S光模塊的優點和應用

還在擔心溫度測量設計不可靠

？這4種方法來保障

使用隔離式柵極驅動器的設計指南（二）：電源、濾波設計與死區時間

DIP開關如何選型？搞懂這些基礎知識
，就不難！