简述新能源电动汽车BMS系统及其芯片方案

MAGTRON-

简述新能源电动汽车BMS系统及其芯片方案 [复制链接]

单位：浙江巨磁智能技术有限公司      作者：Amanda

一、BMS系统简介

新能源电动汽车控制系统主要由电池管理系统（BMS）、充电机控制单元、电动机控制单元和整车控制单元（如图1）等组成。

 

 

图1：新能源电动汽车控制系统

 

其中，BMS系统是电动汽车中不可缺少的核心部分,能够对电池系统的电压、电流、温度等状态量进行在线监测。另外，BMS系统还能够对电池运行状态和电池组离散性进行检测，一旦电池组出现故障或潜在隐患，系统会自动发出报警信号，提醒相关人员采取措施进行处理。如果将电动汽车中的电池组比作一支军队，那么BMS系统就是带领军队前进的领导，其存在能够使电池组运行达到事半功倍的效果。BMS的核心功能（如图2）可被划分为电池监控（Cell Monitoring）、电池安全和保护（Battery Safety and Protection）、电池均衡（Cell Balancing）、健康状态估算SOH（State of Health）、充电状态估算SOC（State of Charge）、充电控制（Charge Control）和热管理（Thermal Management）等。

 

 

图2：BMS核心功能

二、BMS上的芯片简述

众所周知，电池管理芯片在新能源汽车中保障了电池的安全稳定,已成为电动汽车极其重要的元器件。值得注意的是，在消费电子和工业控制领域，市场上已经涌现出非常多的国产品牌电池管理芯片，但在新能源汽车领域，BMS芯片仍旧依赖进口芯片，国产芯片寥寥无几。能提供车规级BMS芯片完整解决方案的供应商主要有ADI (Analog Devices,Inc.)、TI(Texas Instruments)、ST(STMicroelectronics)、NXP(NXPSemiconductors)、Renesas(Renesas Technology Corp.)、Infineon(Infineon Technologies)等企业。我国BMS芯片和国外的差距主要体现在检测精度、均衡控制电路以及所支持的最高电池节数方面。随着集成电路行业在国家政策的支持下高速发展，以及电动汽车和消费电子应用的推动，BMS芯片技术也将实现快速发展。

BMS系统的实现需要各类芯片支撑，主要涉及到 AFE（Active Front End）、ADC（Analog to Digital Converter）、MCU（Microcontroller Unit）、数字隔离器等（如图3）。其中，AFE负责采集电芯电压、电流、温度等感知信息，同时也支持电池的均衡功能。被采集的模拟信号通过模数转换器（ADC）被转换为数字值，并由MCU芯片处理并计算SOC、SOH等参数。数字隔离器主要用于保障数字通信时高低压电路之间的电气隔离，比如在BMS主控板上的高压采样和MCU之间的SPI通信以及采样板AFE与MCU的SPI通信。

 

图3：BMS系统功能组成图

• AFE芯片

电动汽车电池系统一般包含了数量众多的电芯，为对电芯电压、电流及温度状态进行监测和观察，我们需要采用专用的AFE芯片。它是一种拥有多路采样通道的监控芯片，能对电芯的电压和温度等状态进行监测。BMS系统中的AFE一般由均衡开关、通信模块、采集模块等部分组成。其中，采集模块包含模拟开关（MUX）、模数转换器（ADC）、参考源（REFERENCE），AFE总体功能框图如图4：在AFE的采集模块中，模拟信号经模拟开关采样后，经过ADC处理，转换为相应的数字信号，然后通过通信接口SPI/IIC/UART被传递给主控制器MCU。AFE还可以检测电池的使用状况，并实时监控和调整电池参数，使电池始终保持最稳定的工作状态，防止电池退化影响电动汽车的工作状态。

             

图4：AFE总体功能框图

 

下载附件  保存到相册

2023-7-25 13:26 上传

• ADC芯片

BMS中的模拟信号需要转化为数字量，才能加以处理，转化的精度决定了算法的实施性和运算精度。ADC芯片的主要作用是将在时间和幅度上都连续的模拟信号进行量化，生成能够用数字表征的信号幅值。ADC芯片从模拟到数字的变化一般需要经历四个阶段：

 

    

ADC芯片有两个基本指标，一个是转换速率，一个是转换精度。转换速率决定了ADC可以转换多大带宽（Bandwidth）的模拟信号。根据香农定理，带宽决定了可处理模拟信号的最大频率。转换精度衡量了转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的误差。ADC的位数越多，精度就越高，速度就越慢，ADC芯片关键难度在于速率和精度难以兼得。

常见的ADC类型有Σ-∆（Sigma-Delta型）、SAR（逐次逼近型）、Pipeline （流水线型）、Flash（比较型）等等，具体的技术对比如表2：

 

表2 四种ADC技术对比

 

在选择ADC芯片时除了关注芯片的速率和精度外，还需要考虑芯片的量程、ADC输出接口、通道数和封装等参数。最为知名的厂商有TI、ADI、ST、Renesas（本文选取国外产品作对比）等等。不同厂商ADC芯片部分参数对比如表3：

表3 国外各厂商ADC芯片对比

• MCU芯片

汽车 MCU 主要包含 8/16/32 位三种：①主要应用于车身控制、信息系统、引擎控制、安全系统及动力系统的32位 MCU，比如预碰撞、自适应巡航控制、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能以及复杂的 X-by-wire 等传动功能；②主要应用于动力传动系统和底盘机构的16位MCU，比如引擎控制、齿轮与离合器控制、电子式涡轮系统方向盘、电子刹车等；③主要应用于车体各个次级系统的8位MCU，比如：风扇/空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、集线盒、座椅控制等较低阶的控制功能。相对于消费级和工业级MCU，车规级行业壁垒要高，以下是车规级芯片和其他芯片的对比：

表4 不同级别芯片对比

BMS是电动汽车的核心系统，而MCU芯片是BMS系统的关键部分，其主要任务有：（1）处理AFE采集的信息，计算SOC、SOH等参数，并将这些信息传送给上一级整车控制器VCU；（2）对电源管理芯片及其外部电路进行控制。为了电池安全可靠，MCU必须具备防止电池组过压、欠压、温度超过阈值上限、短路和过载等功能。近年来，我国“缺芯”问题一直备受关注，亟需大量车规级MCU芯片来满足市场供应，国产芯片迎来了新机遇。目前国内车规级MCU芯片厂商都陆续崭露头角，并纷纷实现量产，进入汽车供应链体系。本文主要列举一些国外的车规级MCU厂商做对比，表5是不同厂商MCU芯片对比：

表5 不同厂商MCU芯片对比

• 数字隔离芯片

数字隔离是将输入信号进行转换并输出，以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。电气隔离通常需要在不共地的电路系统中（通常为高压和低压之间）进行设计考虑，例如AC-DC和DC-DC变换器的驱动和功率电路之间中。电气隔离的主要作用是安全隔离（保障人员和设备的安全）和功能隔离（提高电路的抗干扰能力）。目前市场上常用的隔离方式通常有：光耦、容耦、磁耦。 

    

图5：常用隔离方式

 

（1）光耦隔离：利用发光二极管（LED）发出一定波长的光（将电信号转换为光信号），被光探测器接收而产生电流（将光信号转换为电信号），实现“电—光—电”的转换，进而通过光这一载体实现前后级电信号的隔离。

（2）容耦隔离：由初级电路、片上电容、次级电路组成，利用电容的“通交流、阻直流”特性实现“电荷-电压-电场”之间的转换。其本质是电流-电压信号之间的相互转换，将电流信号转化为电压信号，进而使电解质中的电场发生相对应的变化，通过电场传播发射端电信号到接收端，实现信号的隔离和传输。

（3）磁耦隔离：由初级电路、片上变压器、次级电路组成。利用电磁感应原理，实现“电—磁—电”的传递，并构建与之精确配合的发送和接受电路。把需要传输的变化信号加在变压器的初级线圈，该信号在初级线圈中产生的磁场，变化的磁场使次级线圈的磁通量发生变化，从而在次级感应出与初级线圈激励信号相关的变化信号输出，以达到隔离初次级的目的。

 

表6 三种隔离技术对比

 

随着新能源汽车的发展，数字隔离芯片销售显著提高，目前国内数字隔离芯片已经突破了技术瓶颈，其核心技术甚至远超国际品牌，实现了进口替代。本文主要针对国外相关品牌进行对比，比如ADI、TI、Skyworks 、NVE等，不同厂商的隔离方式不同，例如：ADI-电磁隔离，TI-电容隔离，东芝半导体-光耦隔离。光耦隔离有着速度慢、信号耦合等问题，随着新一代汽车系统的应用，光耦隔离器很难满足高端客户的需求，而新型隔离器有着体积小、速度快和集成度高等优势，因此目前主要采用电容隔离和电磁隔离两类。表7是不同产品的参数对比：

 

表7  国外各厂商隔离芯片对比

 

参考文献：

[1]周院华.电动汽车电池组模拟前端关键技术的研究与设计[D].长安大学,2021.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2021.000417.

[2]白沂山. 面向电动汽车电池管理系统应用的专用集成芯片设计[D].西安电子科技大学,2020.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2020.001115.

[3]岳泰,乌力吉,张向民,田光宇.动力电池管理SoC采集前端及其ΣΔADC设计[J].微电子学与计算机,2016,33(02):44-48+53.DOI:10.19304/j.cnki.issn1000-7180.2016.02.010.

4]陆文涛. BMS芯片中高精度Delta Sigma ADC的设计[D].哈尔滨工业大学,2021.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.002445.

[5].ADI推出具有电源质量分析功能的高集成度三相模拟前端AFE[J].微型机与应用,2016,35(21):36.