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。
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