【導讀】要在未來實現全電動化，需要進行電動動力總成係統創新
，其中包括BMS
、車載充電器和直流/直流轉換器以及牽引逆變器。這些係統的核心是使電氣化成為可能的半導體元件。

內容概覽

隨著混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 的廣泛采用，電池管理係統 (BMS) 也在不斷發展。本文深入探討了影響BMS 開發的趨勢，以及主要子係統如何協同工作來提高安全性和效率。

1. BMS 的工作原理及行業趨勢

回顧集成三個主要 BMS 子係統如何實現安全、高效的電池包，並探索新的電池化學物質和 BMS 趨勢（包括無線 BMS）。

2. 電池容量和電池運行狀況的高級估算

電池剩餘電量的準確估算對剩餘續航裏程有直接影響。詳細了解電芯監控單元 (CSU) 及其如何提供越來越詳細的電芯狀態測量，從而充分發揮電池包的優勢。

3. 傳統與智能電池接線盒 (BJB) 的比較

了解器件創新如何推動向更加現代化的架構（即智能 BJB）轉變，並了解電池控製單元 (BCU) 作為通信接口的作用。

BMS 可(ke)保(bao)護(hu)電(dian)池(chi)免(mian)受(shou)損(sun)壞(huai)，通(tong)過(guo)智(zhi)能(neng)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)算(suan)法(fa)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，預(yu)測(ce)電(dian)池(chi)剩(sheng)餘(yu)壽(shou)命(ming)並(bing)使(shi)電(dian)池(chi)保(bao)持(chi)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)。鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)電(dian)芯(xin)麵(mian)臨(lin)著(zhe)巨(ju)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)
，需(xu)要(yao)借(jie)助(zhu)精(jing)密(mi)的(de)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)來(lai)應(ying)對(dui)。此(ci)外(wai)，還(hai)存(cun)在(zai)因(yin)火(huo)災(zai)和(he)爆(bao)炸(zha)造(zao)成(cheng)傷(shang)害(hai)的(de)重(zhong)大(da)風(feng)險(xian)。因(yin)此(ci)，BMS 需要借助先進的器件來滿足所有性能

、安全和成本指標。

一般而言，每個設計人員都要努力攻克的三個主要 BMS挑戰是盡可能提高續航裏程、降jiang低di成cheng本ben和he增zeng強qiang安an全quan性xing。解jie決jue其qi中zhong一yi個ge挑tiao戰zhan可ke能neng會hui對dui另ling一yi個ge挑tiao戰zhan產chan生sheng不bu利li影ying響xiang。在zai本ben白bai皮pi書shu中zhong，我wo們men將jiang探tan討tao同tong時shi解jie決jue這zhe三san個ge挑tiao戰zhan的de幾ji個ge新xin趨qu勢shi。

BMS 的工作原理及行業趨勢

分布式 BMS 架構（圖 1）具有模塊化結構，通常包括三個主要子係統：電芯監控單元 (CSU)、電池控製單元 (BCU)和電池斷連單元 (BDU)。

圖 1. 典型的 BMS 架構。

這些子係統具有不同的行業名稱，如表 1 中所列，因此為各種名稱和首字母縮寫詞設置基準將很有幫助。

表 1. BMS 子係統在業內的常見首字母縮寫詞。

CSU 通過檢測每個電芯的電壓和溫度來收集所有電池電芯的參數信息。CSU 通過執行電芯均衡來幫助補償電池電芯之間的不一致性。BCU 必須包含來自 CSU 的參數信息
，還必須檢測電池包的電壓和電流以執行電池包管理。BCU根據收集的所有電壓、電流和溫度數據，負責參照每個電池電芯的整體狀況分配電池的充放電方式。通過計算荷電狀態、功率狀態和運行狀況來持續監測電池的狀況。智能保護控製也是 BCU deyixiangzhongyaogongneng，yinweitabixuzhixingjueyuanjiance，zaifashengpengzhuanghuoduanlushikongzhijiechuqi
，chixujiancewenduchuanganqibingzhixingzhenduan，congerjianzhasuoyoushurucanshushifouqueshiyouxiao。xinxitongguokongzhiqijuyuwang (CAN) 通信傳輸到汽車控製單元或電子控製單元。

新的電池化學物質

鋰離子可以指一係列的化學物質
；但它最終構成基於金屬氧化物陰極和石墨陽極充電和放電反應的電池。兩種較為常見的鋰離子化學物質是鎳錳鈷 (NMC) 和磷酸鐵鋰(LFP)。

NMC shizhuyaodehuaxuewuzhi
，yinweitajuyouchusedenengliangmidu，zheduixuhanglichengyouzhijieyingxiang。raner，suizhejinnianlaiduiniehegudexuqiujizeng，qichezhizaoshangzhengzaicaiqucelvelaiyingduishichangdongdang。nieheguyehenxiyou
，nanyicongdiqiushangtiqu。

雖然 LFP 仍屬於占少數的化學物質且能量密度較低，但它具有顯著優勢。LFP 不含昂貴且稀有的鎳和鈷元素
，因此成本會更低。它還具有較長的生命周期，因此可延長電池的使用壽命。與鎳和鈷電池相比，LFP 電池也更穩定，更不容易起火，需要的保護更少。

因此，LFP 可能會成為大容量汽車領域的主要化學物質，在該領域

，續航裏程不如經濟實惠性
、安全性或環保性（不使用鈷和鎳）那麼重要。LFP 需要十分精確的電池監測技術
，因為它具有非常平緩的放電曲線。閱讀 BMS 的下一個目標是什麼？更安全、更經濟實惠的電動汽車一文
，了解如何使用先進的半導體實現適用於新興電池化學物質的 BMS 架構。

與此同時
，一些供應商正在研究如何使用成本更低的鈉離子電芯來與 LFP 競爭。

與使用液態電解液的傳統鋰離子電池不同，固態電池使用由玻璃、陶瓷、固態聚合物或硫化物組成的固體電解液
，因此而得名。鑒於固態電池固有的性能優勢：更高的能量密度；更高的可靠性和抗老化特性
；顯著加快的充電速度以及更高的安全性（最重要），多(duo)家(jia)汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)正(zheng)在(zai)開(kai)展(zhan)固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)。液(ye)態(tai)電(dian)解(jie)液(ye)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)會(hui)變(bian)得(de)易(yi)燃(ran)。固(gu)態(tai)電(dian)解(jie)液(ye)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)
，進(jin)而(er)可(ke)限(xian)製(zhi)火(huo)災(zai)或(huo)爆(bao)炸(zha)的(de)風(feng)險(xian)。

無線 BMS

利用導線是目前部署 BMS 的實際方法。在許多情況下，這是實現汽車安全完整性等級 D (ASIL D) 合規性的最可靠方法，因為菊花鏈有線通信協議中內置了功能安全特性。然而
，導線也有其缺點：電纜故障
、保修維修和電池電芯更換的成本高昂。

無線 BMS 的一個優點（如圖 2 所示）是電池包組裝和生產的簡便性，這可以節省成本並提高生產效率。生產線技術人員隻需組裝電池包並獲取即時讀數，而有線 BMS 則需要技術人員將電纜插入每個電池模塊。

無線 BMS 的另一個優勢是電纜線束和連接器可能是電池包故障的主要原因之一。無線 BMS 可減少低壓布線，並有可能使原始設備製造商 (OEM) 免受重大保修索賠的影響。

無線 BMS 有助於減輕重量，更重要的是
，現在電池包中有更多空間。空間的增加意味著電池製造商或 OEM 可以向電池包中添加更多電池電芯。電芯節數增加以及重量減輕會延長續航裏程。

無線 BMS 還可通過其固有隔離幫助節省元件成本，因此汽車製造商不必使用變壓器、電容器或共模扼流圈即可實現隔離，從而節省成本。

TI 符合汽車標準的 CC2662R-Q1 SimpleLink™ 無線微控製器 (MCU) 包含 48MHz Arm® Cortex®-M4 處理器，能夠運行 2.4GHz 專有無線 BMS 協議。

圖 2. TI 無線 BMS 技術。

電池容量和電池運行狀況的高級估算

電dian池chi剩sheng餘yu電dian量liang的de準zhun確que估gu算suan對dui剩sheng餘yu續xu航hang裏li程cheng有you直zhi接jie影ying響xiang。盡jin管guan電dian池chi電dian芯xin製zhi造zao商shang提ti供gong了le電dian池chi的de額e定ding容rong量liang，但dan它ta會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi而er變bian化hua。導dao致zhi電dian池chi容rong量liang衰shuai減jian的de一yi些xie重zhong要yao因yin素su包bao括kuo溫wen度du升sheng高gao
、循環（使用）、放電模式深度和老化。鑒於這些因素

，需要持續估算電池容量
，以便準確估算荷電狀態。

準確測量電池的運行狀況將決定駕駛員是必須更換電池，還是等到發生明確
、危險的電池故障事件才更換。

電壓和電流的有效同步有助於實現精確的荷電狀態
、運行狀況和電阻抗譜分析 (EIS) 計算，進而充分利用電池。如需更多信息，請參閱技術文章：如何設計適用於高級電動汽車電池管理係統的智能電池接線盒。

電芯監控單元 (CSU) 詳細介紹

圖 3 顯示了簡化版 CSU。CSU 在電池包的實際電芯內緊密運行

，連接電芯監測器器件布線線束並確保將重要的電池包數據高效傳回主機 BCU。

圖 3. 簡化版 CSU 係統方框圖。

如果沒有 CSU，關於電池包狀態的可用信息將少之又少。借助 CSU 輸(shu)出(chu)的(de)診(zhen)斷(duan)數(shu)據(ju)
，可(ke)實(shi)現(xian)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)和(he)荷(he)電(dian)狀(zhuang)態(tai)估(gu)算(suan)，這(zhe)會(hui)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)目(mu)標(biao)。憑(ping)借(jie)高(gao)精(jing)度(du)監(jian)測(ce)器(qi)，這(zhe)些(xie)算(suan)法(fa)可(ke)為(wei)驅(qu)動(dong)器(qi)提(ti)供(gong)十(shi)分(fen)精(jing)確(que)的(de)估(gu)算(suan)
，並(bing)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)每(mei)次(ci)充(chong)電(dian)的(de)效(xiao)用(yong)。此(ci)操(cao)作(zuo)通(tong)常(chang)是(shi)被(bei)動(dong)完(wan)成(cheng)的(de)，並(bing)且(qie)在(zai)足(zu)夠(gou)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)下(xia)進(jin)行(xing)，在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，熱(re)管(guan)理(li)變(bian)得(de)難(nan)以(yi)維(wei)護(hu)和(he)測(ce)量(liang)。總(zong)體(ti)而(er)言(yan)，在(zai)電(dian)池(chi)包(bao)中(zhong)部(bu)署(shu)精(jing)密(mi)的(de) CSU 可確定車輛的充電周期，從而提供更安全、更出色的整體體驗。

CSU ketigongyuelaiyuexiangxidedianxinzhuangtaiceliang
，gengdaxiandudifahuishangshudianchibaoyoushi。duiyuyunxingzhuangkuanghehedianzhuangtaijisuan，yijinkenenggaodeshujusulvanquankekaoditongbuzhexieceliangkeshixianlixiangdegusuan。suizhe 400V 以上高壓電池包趨勢的興起，智能 CSU 設計促進了電池包中越來越多的電芯數據傳輸。要實現更加經濟實惠的混合動力汽車/電動汽車
，挑戰是如何通過盡可能低的功耗和外部印刷電路板元件實現這些優勢。

隨著 LFP 越來越受歡迎，與 NMC 相比（如圖 4 所示）

，平穩放電曲線需要更精確的電芯電壓測量數據，才能確定電動汽車的可用裏程。德州儀器 (TI) BQ79718-Q1 可堆疊電池監測器和電芯平衡器可測量 18 節串聯電池。它可提供精度為 ±1mV 的電芯電壓測量，以及具有 300mA 電流能力的被動電芯均衡功能。該器件還支持電壓和電流同步測量以及 BQ79731-Q1 電池監測器

，可實現更精確的運行狀況和荷電狀態計算。

圖 4. 電池化學成分放電曲線（紅色 = NMC
，藍色 = LFP）。

傳統與智能電池接線盒 (BJB) 的比較

BMS 架構在不斷發展。器件創新（受到所謂的電池包監測器的推動）正在促使向更加現代化的架構（即智能電池接線盒 (BJB)）轉變。傳統 BJB 僅包含機械部件，而智能BJB 將有源矽器件引入 BJB 中，執行高壓監測、電流檢測和絕緣檢測（傳統上由 BCU 執行的功能）。

智能 BJB 架構（如圖 5 所示）具有幾個明顯的優勢。它明確地區分了高壓域和低壓域 - 所有高壓信號都直接在 BJB中測量，從而使 BCU 完wan全quan成cheng為wei一yi種zhong低di壓ya設she計ji。電dian池chi包bao監jian測ce器qi使shi用yong專zhuan有you菊ju花hua鏈lian接jie口kou，支zhi持chi分fen立li式shi電dian容rong器qi隔ge離li，因yin此ci無wu需xu使shi用yong昂ang貴gui的de數shu字zi隔ge離li器qi器qi件jian。菊ju花hua鏈lian通tong信xin還hai具ju有you額e外wai的de優you勢shi
，即ji無wu需xu收shou發fa器qi（如 CAN）等任何其他元件，也不需要額外的 MCU 來控製和驅動通信協議。將電池包監測器放置在 BJB 中或其周圍可以立即訪問高壓信號，並且不再需要將多條長導線連接回 BCU。可以測量電流並執行分流電流檢測。

圖 5. 傳統 BMS 架構與現代智能 BJB 架構的比較。

BJB 詳細介紹

智能 BJB 通過電壓、dianliuhejueyuandianzudianchibaojianceqibangzhuzhijieceliangdianchizhongdegaodianya。dianxingdedianchibaojianceqizhongtigongduogedianyahedianliuceliangtongdao，keceliangbaoxiansihejiechuqiliangduandedianya，bingjianzha BJB 中的隔離電壓。圖 6 為簡化版係統圖。

圖 6. 簡化版 BJB 係統方框圖。

由於電池包監測器可以測量電池包電流，因此係統中采用了過流保護。BQ79731-Q1 等一些電池包監測器還具備用於荷電狀態計算的庫侖計數功能。

BQ79731-Q1 中實現了電壓和電流同步功能，可在 CSU中測量電池電芯電壓的同時測量電池包電流和電壓。可以將通過任一菊花鏈式通信接口捕獲的所有信息輪詢到BCU。

智能 BJB 和傳統 BJB 之間的區別在於對接觸器驅動器和爆炸熔絲的數字控製
，用於在碰撞過程中斷開電池包與電動汽車係統的連接。BQ79731-Q1 具有串行外設接口 (SPI)控製器通道
，可控製接觸器驅動器和爆炸熔絲，從而減少對 BCU 額外 SPI 資源的需求。

電dian池chi包bao使shi用yong由you電dian池chi包bao監jian測ce器qi控kong製zhi的de機ji械xie接jie觸chu器qi來lai連lian接jie或huo斷duan開kai整zheng個ge車che輛liang的de子zi係xi統tong。務wu必bi要yao防fang止zhi這zhe些xie接jie觸chu器qi發fa生sheng任ren何he潛qian在zai故gu障zhang或huo接jie觸chu高gao壓ya連lian接jie，從cong而er保bao護hu駕jia駛shi員yuan免mian受shou危wei及ji生sheng命ming的de傷shang害hai。

如果出現不受控製的浪湧電流，機械高壓接觸器可能會因電弧和點蝕而焊接或損壞。為何高電壓係統需要預充電電路 介紹了如何使用 TPSI3050-Q1 隔離式開關驅動器來構成可靠的固態繼電器，以便在汽車 BJB 中進行預充電。由於沒有移動部件，因此在更換機械預充電接觸器時，TPSI3050-Q1 ketigaoxitongjikekaoxinghuojiangdishijiguzhanglv。gaoyadianchibaodezhengjiduanzihefujiduanzibixuyucheliangdipanwanquanfenli，congerbaohujiashiyuanhuojishurenyuanmianshouqianzaidianji。duizhezhongfenlidedingqijiancechengweigelijianzhahuojueyuandianzujiance。TPSI2140-Q1 等固態繼電器用於連接和斷開與未知電阻值（電池端子和底盤接地之間的電阻值）並聯的已知電阻值（例如1MΩ）。通過使用 BQ79731-Q1 等電池包監測器測量組合電阻
，您可以確定電池分離是否在容差範圍內（根據聯邦機動車輛安全標準第 305 號規範
，至少為 500Ω/V）或是否存在潛在危害。

電池控製單元 (BCU) 詳細介紹

BCU 由通信芯片和 MCU 構成。通信芯片是連接 MCU 與CSU 和 BJB 的橋梁，可將來自 CSU 和 BJB 菊花鏈的信號轉換為解碼比特流發送到 MCU。MCU 輪詢 CSU 和BJB 測量的所有信息，計算電池狀態並對來自 CSU 和BJB 的故障或診斷做出響應。圖 7 顯示了典型的 BCU 方框圖。

圖 7. 典型 BCU 方框圖。

創建全麵的電池測試環境生態係統

為了驗證和測試 BMS
，汽車製造商使用了硬件在環 (HiL)係統
，該係統可創建安全的環境，用於在連接到真實、具有潛在危險的電池電芯之前測試所有功能。

TI 合作夥伴 Comemso 的電池電芯仿真器可提供各種模塊來進行 BMS 測試，並提供了可擴展的型號和不同的功能。該仿真器十分靈活
，使 TI 能夠部署不同尺寸的係統
，有助於滿足設計工程師的各種需求。

結論

隨著人們對技術創新和商業權衡越來越重視


，BMS 架構不斷發展。新的電池化學物質和矽器件與不斷提高的安全要求相結合，形成了與眾不同的動態設計格局。TI 的目標是使市場能夠敏捷地朝任何設計方向發展。了解 TI 的所有混合動力汽車/電動汽車 BMS 設計資源，幫助汽車製造商更大程度地提高安全性、可靠性和續航裏程，並提高全球範圍內的電動汽車采用率。

附加資源

• 德州儀器 (TI)：電動汽車電池管理中的有線通信與無線通信。

• 觀看網絡研討會：電池管理係統研討會 - 用於實現電壓和電流同步的智能電池接線盒。

• 德州儀器 (TI)：實現汽車電氣化的電池管理功能安全注意事項。

• 閱讀技術文章：如何設計適用於高級電動汽車電池管理係統的智能電池接線盒。

作者：Mark Ng
，Sector general manager，HEV/EV powertrain；Issac Hsu
，Marketing manager
，Battery management systems；Taylor Vogt，Applications manager，Battery management systems

（來源： 德州儀器）

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