BMS电池管理系统中的磁性元件

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BMS电池管理系统中的磁性元件 [复制链接]

在节能减碳的大背景下，全球能源结构正在发生深刻的变化，其中一个重要的标志就是，以锂离子电池（以下简称锂电池）为代表的储能技术，将在未来的能源基础设施中扮演着重要的角色。

 

在可以预见的未来，无论是驱动新能源汽车的动力电池，还是方兴未艾的能源储存系统中的储能电池，都将迎来一个令人兴奋的“牛市”。根据波士顿咨询公司与中国汽车工程学会发布的联合研究报告，预计到2030年，全球锂电池的需求规模将达到4太瓦时（TWh）。

不可或缺的BMS系统

 

伴随着锂电池应用的发展，另一个技术的重要性也越发凸显出来，这就是电池管理系统（BMS）。BMS通常会与锂电池包集成在一起，作为管理和监控锂电池的中枢，监控电池的状态，防止电池出现过充电和过放电等情况，确保电池安全可靠地工作，并尽可能延长电池的使用寿命。具体来讲，BMS的主要功能包括：

 

状态监测

 

对电池组的SOC（荷电状态）、SOP（功率状态）和SOH（健康状态）等状态参数进行准确地测量和估算，为更优的控制决策提供依据。

 

能量均衡

 

电池组中单个电池之间性能表现的差异，会对电池的寿命和系统的使用产生不良影响，能量均衡就是通过弥补电池个体之间的差异，确保其一致性，以延长电池组整体使用寿命。

 

保护功能

 

BMS通常会提供可靠的过充、过放、过流、过温、低温保护，以及多级故障诊断保护，以确保在发生故障时做出快速响应。

 

数据通信

 

通过有线或者无线方式，BMS可以与主控单元以及其他车载设备，或者是云端进行数据交互，实现更智能化的管理。

 

由此不难看出，BMS就是对锂电池进行监测、分析、控制、反馈的一整套自动化控制系统，是确保电池组高效和安全运作不可或缺的一环。随着锂电池市场的快速发展，BMS的应用版图也在不断扩大，如何打造出适应市场发展要求的BMS解决方案，也就成了一个核心课题。

 

 

图1：通用汽车充电系统中，BMS是不可或缺的一环（图源：Bourns）

BMS系统中的磁性元件

 

作为一个典型的功率电子系统，BMS的开发中自然少不了磁性元件的支撑。

 

磁性元件虽然看上去不起眼，却是功率电子系统重要的组成要素之一，它们通常由绕组和磁芯构成，承担着储能、能量转换及电气隔离等工作。常见的磁性元件包括变压器和电感器两大类，前者主要扮演变压、滤波、储能的角色，后者则承担着平滑电源信号、解决EMI噪声等任务。

 

想要开发出一款优秀的BMS方案，磁性元件的选型和应用是少不了的功课。

 

结合BMS的典型应用场景，比如车载动力电池组中BMS（如图1）的设计需求，我们可以大体描画出BMS设计中理想磁性元件的样子：

 

1.高效率.

 

通过先进的材料、设计结构和工艺，实现超低的DC电阻，提供更高的效率，这是衡量磁性元件性能优劣的一个硬指标。

 

2.小型化.

 

更紧凑的外形，可满足当今功率电子系统更高频率开关的要求，且能够有效应对系统复杂性增加、设计空间受限等挑战。

 

3.低EMI噪声.

 

磁性元件（如功率电感）工作时，会产生EMI噪声，如何有效防止电磁波的“外泄”，是磁性元件设计和应用时的一个重要考量因素。

 

4.热管理.

 

一方面要通过提升效率减小热应力的影响，另一方面要求元件自身具有更佳的温度稳定性，这对于功率系统整体的热管理优化大有裨益。

 

5.稳健性和可靠性.

 

确保系统可靠稳定运行，更大限度地延长产品寿命，这是锂电池和BMS系统典型应用场景的要求。

 

6.安全性.

 

由于锂电池系统会采用高压电池，因此需要有更多安全性方面的考量（比如高压和低压域之间的可靠隔离），以避免人员或电路受到安全威胁。这就需要磁性元件在实现更紧凑设计的同时，还要符合UL和IEC隔离、爬电距离和间隙等安全标准

 

大电流功率电感器

 

功率电感器是稳压器拓扑中的重要组件，在DC-DC转换器中，每个调节电源的电路都需要一个电感器，以实现存储能量、平顺直流电源、滤除电路噪声等作用。

 

具体到BMS的设计中，功率电感器的选型和应用面临着三方面的挑战：首先，它需要能够满足更大功率的要求，支持更大的电流；其次，还要有抑制EMI的能力，满足汽车和工业应用环境中严苛的EMC设计要求；再有，在外形上也要更为紧凑，为有限空间应用设计提供更大的灵活性。

 

具有独特的磁屏蔽结构，可以实现低EMI辐射，因此无需在电路系统中使用额外的屏蔽罩，节省空间和成本。

 

采用了扁平导线结构，有助于降低DCR电阻，实现更高的效率。

采用金属合金粉末磁芯，支持大饱和电流，非常适合于大电流、高功率应用。

同时，扁平导线和粉末磁芯，也有利于实现更紧凑的外形，节省系统空间。

基于高温分级材料制成，具有更出色的温度稳定性，支持高达150°C的工作温度。

 

总而言之，要求功率电感器采用了先进的材料和结构，可实现高效和超低DC电阻，以及紧凑高效的封装（元件高度范围从1mm至7mm），屏蔽式的设计还优化了EMI特性——这对于BMS这种控制电路和功率电路毗邻的设计，十分必要。

 

 

图2：大电流功率电感器

 

高效高安全性的隔离变压器

 

在BMS设计中，推挽式隔离DC-DC转换器因其出色的特性——如更稳定的输入电流、更少的输入线路噪声，以及高功率应用中的高效率——成为了一种常用的拓扑结构。想要实现推挽式低压隔离DC-DC转换器的设计，一款高效而安全的推挽式变压器肯定少不了。

 

从BMS的工作原理来看，它需要将电池状态、数据和命令通过有线接口与主控CPU进行通信，这些数据和信息的交互，是BMS实现高效、可靠闭环控制的关键。不幸的是，锂电池组的高电压，加上应用环境（如电动汽车动力系统）中存在的大量电磁干扰，都会对BMS数据通信造成不良影响。为了实现BMS与主控CPU之间的可靠通信，就需要能够提供高压隔离和EMI抑制的BMS信号变压器登场了。

 

要求高压隔离推挽变压器符合AEC-Q200、IEC 60950-1、IEC 62368-1以及IEC 60664-1等行业标准。

 

BMS市场将伴随着锂电池应用的发展，进入一个快速上升通道，这也为相关的元器件带来新的商机。对于功率电子系统中不可或缺的磁性元件，更是如此。

 

当然，能够搭上BMS市场快车的磁性元件产品，需要满足一系列特殊的设计要求，在效率、热性能、EMI特性、小型化设计、可靠性和安全性等方面，必须有异于通用产品的突出优势。