電動(dòng)車新國(guó)標(biāo)下的電動(dòng)自行車與電動(dòng)摩托車BMS解決方案

2018年5月15日，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理程序，工業(yè)和信息化部組織修訂的（GB 17761-2018）《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布，并于2019年4月15日正式開始實(shí)施。

新國(guó)標(biāo)對(duì)電動(dòng)自行車的技術(shù)要求作了較大調(diào)整：

增加了防篡改要求，防止產(chǎn)品出廠后被違規(guī)改裝；

最高時(shí)速由20公里提高到25公里；

電機(jī)功率從240W提高到400W；

含電池在內(nèi)的整車質(zhì)量由40公斤調(diào)整為55公斤

強(qiáng)化了騎行能力要求，電動(dòng)自行車必須具有腳踏騎行功能。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從速度，重量等方面強(qiáng)調(diào)了電動(dòng)自行車的非機(jī)動(dòng)車屬性，特別是是否具有腳踏騎行能力這一點(diǎn)，把此前比較混淆的電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車完全區(qū)分開來(lái)，從使用上來(lái)說(shuō)，電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車將適用比電動(dòng)自行車更嚴(yán)格的交通法規(guī)，比如電動(dòng)摩托車必須上機(jī)動(dòng)車牌照，駕駛?cè)藛T要求持有駕駛證，只能在機(jī)動(dòng)車道行駛等，這將大大有助于改善交通秩序，減少交通事故，從這個(gè)角度來(lái)看，電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)為電動(dòng)自行車市場(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展奠定了規(guī)范。

電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)中限定了整車的最大重量不超過(guò)55公斤，雖然沒(méi)有明確規(guī)定禁止使用鉛酸電池，但實(shí)際上限定了鉛酸電池只能應(yīng)用在續(xù)航里程較短的電動(dòng)自行車，客觀上鼓勵(lì)大家采用鋰電池。鉛酸電池對(duì)環(huán)境的危害已經(jīng)是共識(shí)，去年就有人大代表提議禁止鉛酸電池的使用。目前中國(guó)每年生產(chǎn)3200多萬(wàn)輛電動(dòng)自行車，但由于鋰電池的購(gòu)買成本比較高，目前的滲透率還不到12%，新國(guó)標(biāo)的發(fā)布必將加快鋰電池在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用。實(shí)際上，由于鋰電池的使用壽命是鉛酸電池的2~3倍以上，鋰電池的平均使用成本已經(jīng)與鉛酸電池相當(dāng)，隨著鋰電池產(chǎn)能的釋放，其成本在未來(lái)三年還有30~40%的下降空間，因此可以預(yù)計(jì)，5年內(nèi)鋰電池將會(huì)占據(jù)電動(dòng)自行車的大部分市場(chǎng)。

相比于鉛酸電池，鋰電池在過(guò)電壓，欠電壓，過(guò)電流，過(guò)溫等條件下易受到損壞，因此必須為鋰電池配以相應(yīng)的充電管理電路與監(jiān)控保護(hù)（BMS）電路,才能安全使用。鋰電池在電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車上的大量使用，必將帶動(dòng)鋰電池BMS系統(tǒng)的需求高速增長(zhǎng)。電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)中規(guī)定蓄電池標(biāo)稱電壓≤48V，最大輸出電壓≤60V，這就規(guī)定了電動(dòng)自行車最高的電芯串聯(lián)數(shù)量： 48/3.0=16 (磷酸鐵鋰電池電芯的標(biāo)稱電壓通常為3.0V或3.2V)，如果采用三元或錳系鋰電池的話，最高電芯串聯(lián)數(shù)為48/3.7=13，市場(chǎng)上常用的電芯串聯(lián)數(shù)為7、10、13、15、16，純硬件的鋰電池保護(hù)方案具有成本低、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，目前是電動(dòng)自行車BMS系統(tǒng)的主流方案。

由于不具有腳踏騎行能力，按照電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)的規(guī)定，此前比較流行的電動(dòng)踏板車將會(huì)被歸入到電動(dòng)摩托車的范疇。因此，未來(lái)電動(dòng)摩托車的市場(chǎng)比例將會(huì)顯著提高。從電池管理系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，結(jié)合2018年9月發(fā)布，2019年4月1日開始實(shí)施的電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車用鋰離子電池國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 36672-2018，暫未強(qiáng)制執(zhí)行）規(guī)定電動(dòng)摩托車應(yīng)具有對(duì)單體電芯的電壓、溫度，蓄電池總電壓、電流、充放電次數(shù)、最大充電電流數(shù)據(jù)采集并有限度保存，這就要求電動(dòng)摩托車的BMS系統(tǒng)具有采集電壓、電流、溫度的能力，純硬件保護(hù)方案不能滿足這個(gè)要求，因此，具有模擬前端與保護(hù)功能的電池監(jiān)控方案將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)摩托車和電動(dòng)輕便摩托車用鋰離子電池國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)要求電池管理系統(tǒng)與整車控制器、電機(jī)控制器、充電機(jī)的通訊要采用CAN通訊協(xié)議，因此，電動(dòng)摩托車將來(lái)會(huì)更多的采用CAN 驅(qū)動(dòng)器與隔離器，相應(yīng)的也就需要為此配備相應(yīng)的隔離電源。而電動(dòng)自行車新國(guó)標(biāo)并沒(méi)有這些要求，因此電動(dòng)摩托車將采用比電動(dòng)自行車更復(fù)雜的BMS系統(tǒng)。目前，大多數(shù)電動(dòng)踏板車與電動(dòng)摩托車采用的還是鉛酸電池，雖然GB/T 36672-2018并沒(méi)有在重量等方面限制鉛酸電池的使用，但是目前的鉛酸電池管理系統(tǒng)通常不具備采集電壓、電流、溫度與通訊的能力，在符合國(guó)標(biāo)要求方面，鋰電池仍然具有優(yōu)勢(shì)。GB/T 36672-2018 還對(duì)電動(dòng)摩托車蓄電池的額定電壓做了推薦，48V/60V/72V/84V/96V/144V, 目前市場(chǎng)上主流的是48V/60V/72V，因此常用的電芯串聯(lián)數(shù)為13、16、17、20、24串。

總結(jié)一下，電動(dòng)自行車與摩托車新國(guó)標(biāo)的執(zhí)行對(duì)市場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在：

鋰電池將會(huì)取代鉛酸電池成為電動(dòng)自行車與摩托車蓄電池的主流

電動(dòng)踏板車將會(huì)歸入電動(dòng)摩托車的范疇，從而增加電動(dòng)摩托車的市場(chǎng)總量

由于電動(dòng)摩托車新標(biāo)準(zhǔn)的要求（暫未強(qiáng)制執(zhí)行），具有單體電芯電壓、溫度等信息采樣能力的鋰電池管理方案將是主流

由于電動(dòng)摩托車新標(biāo)準(zhǔn)的要求（暫未強(qiáng)制執(zhí)行），CAN總線將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的隔離與低靜態(tài)功耗的高壓DC-DC也將得到廣泛應(yīng)用

如下是電動(dòng)自行車與摩托車電池包BMS系統(tǒng)的典型系統(tǒng)框圖，除灰色標(biāo)注的電池，溫度、電流檢測(cè)電阻，保險(xiǎn)絲外 （標(biāo)黃色的芯片是可選功能），TI可以為電動(dòng)自行車與摩托車提供完整的解決方案，并得到廣大品牌客戶的認(rèn)可。

從上圖可以看出， 從功能上可以把BMS系統(tǒng)分為以下部分：

電池信息采集，計(jì)量與保護(hù)電路

電源管理電路

CAN總線隔離驅(qū)動(dòng)電路 （電動(dòng)摩托車用）

MCU （本文暫不細(xì)述）

下面為大家做詳細(xì)介紹TI重點(diǎn)推薦的相關(guān)芯片。

一．電池信息采集，計(jì)量與保護(hù)電路

此電路包含電池電壓采樣用的模擬前端及保護(hù)芯片BQ76930或BQ76940, 電池電量計(jì)量芯片BQ78350或BQ34Z100， 二級(jí)保護(hù)芯片BQ7718，高壓側(cè)MOS驅(qū)動(dòng)芯片BQ76200。

1、模擬前端及保護(hù):BQ76930, BQ76940

BQ76930支持6~10節(jié)電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用，BQ76940支持9~15節(jié)電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用， 它們能夠精確采集每一級(jí)電芯的電壓，電池包的電流以及電芯或MOS的溫度，在過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)電流與短路故障情況下控制充放電MOS對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，并通過(guò)中斷信號(hào)通知控制器。電壓，電流，溫度保護(hù)的閾值由控制器在系統(tǒng)上電時(shí)通過(guò)I2C進(jìn)行設(shè)置后，BQ76930與BQ76940可以提供完備的硬件保護(hù)功能。BQ76930與BQ76940集成了5mA的內(nèi)部均衡電路，如果需要較大的均衡電流，可以采用外部均衡電路提供大于50mA的均衡電流，客戶可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)自己的均衡控制策略（相鄰的兩個(gè)電芯不能同時(shí)做均衡）。BQ76930與BQ76940集成了14位高精度的電壓、溫度采樣ADC以及獨(dú)立的16位高精度電流采樣ADC， 可以通過(guò)I2C將這些數(shù)據(jù)傳送給MCU或配套的電量計(jì)芯片BQ78350，從而得到高精度的電池電量信息。MCU也可以通過(guò)設(shè)置BQ78350的參數(shù)為系統(tǒng)提供軟件保護(hù)功能 。

BQ76930與BQ76940還可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式支持更多電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用，可參考下圖：

部分電動(dòng)摩托車采用16或17串電池，也可以通過(guò)外部電路采用低靜態(tài)電流的運(yùn)放TLV2401/LM2904對(duì)BQ76940的通道數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、電池電量計(jì)量:BQ78350, BQ34Z100，BQ34110

客戶在使用電動(dòng)自行車與摩托車時(shí)，常常會(huì)需要了解電池電量的狀態(tài)，以便于合理規(guī)劃行程，防止在行駛過(guò)程中突然遇到電池?cái)嚯姷那闆r，一個(gè)高精度的電量計(jì)可以有效提高用戶體驗(yàn)。

BQ78350通過(guò)I2C總線與Q76930或BQ76940通訊，以獲得每一級(jí)電芯的電壓，電芯的溫度以及電池包的電流， 并采用CEDV算法精確計(jì)算電池包的電量狀態(tài)以及健康狀況。在BQ76930與BQ76940的硬件保護(hù)的基礎(chǔ)上，BQ78350可以進(jìn)一步提供軟件保護(hù)與二級(jí)保護(hù)功能，更加便利的均衡控制。此外， BQ78350還具有黑匣子、SHA-1加密與LED指示功能。BQ78350還提供SMBus接口以便于與外部系統(tǒng)通訊。

BQ34Z100支持1~16節(jié)電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用，與BQ78350不同，BQ34Z100不檢測(cè)每一級(jí)電芯的電壓，而是利用分壓電阻檢測(cè)整個(gè)電池包的平均電壓，并采用TI專利的阻抗跟蹤算法精確計(jì)算電池包的電量狀態(tài)以及健康狀況，此外， BQ34Z100還提供 SHA-1加密與LED指示功能。 BQ34Z100應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，可與各種模擬前端或硬件保護(hù)方案配合使用。

對(duì)于磷酸鐵鋰電池，由于電芯的放電曲線比較平緩，電壓采集的精度對(duì)阻抗跟蹤算法的計(jì)量精度的影響比較大。BQ34110與BQ34Z100類似，但是采用CEDV算法，適用于磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)合。

3、二級(jí)保護(hù): BQ7718

為了確保鋰電池的安全，通常 在基本的過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)電路之外，電池管理系統(tǒng)還要求采用獨(dú)立的二級(jí)保護(hù)電路，在一級(jí)保護(hù)電路失效的時(shí)候，熔斷保險(xiǎn)絲，避免鋰電池在過(guò)壓等惡劣條件下造成安全事故。 其中，最重要也最常見(jiàn)的是二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)。

BQ7718支持2~5節(jié)電芯串聯(lián)，但是也可以采用如下方法級(jí)聯(lián)，支持高達(dá)20節(jié)電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用。BQ7718電壓精度高達(dá)10mV, 功耗小于1uA, 可靠性高，得到了廣大客戶的認(rèn)可。

4、高壓側(cè)MOS開關(guān)管驅(qū)動(dòng):BQ76200

如前面所示的框圖所示，電池保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)充電與放電開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的保護(hù)，通常充電與放電開關(guān)（通常采用MOS）被放置在電池包的負(fù)極（地線） ，這種方式在布線和散熱方面具有優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)于具有電量計(jì)與電池狀態(tài)監(jiān)控功能的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)充電或放電開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于地線連接被斷開，外部系統(tǒng)無(wú)法與電池內(nèi)部的管理系統(tǒng)直接通訊，因此必須采用隔離電路才能讀取故障信息等。如果如下圖所示，將充電與放電開關(guān)放在電池包的正極，則不需要隔離電路，外部系統(tǒng)就可以與電池內(nèi)部的管理系統(tǒng)通訊，這就需要為充電與放電開關(guān)MOS （通常是N-MOS，阻抗低，成本低）提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，BQ76200就是一個(gè)簡(jiǎn)潔可靠的選擇。

BQ76200最高耐壓100V，可以應(yīng)用于3~15S的鋰離子電池包或3~17串的磷酸鐵鋰電池包。BQ76200還集成了P-MOS驅(qū)動(dòng)功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的預(yù)充或預(yù)放功能。

5、電源管理電路

a.高壓降壓電路LM5164/LM5165

電池管理系統(tǒng)除了模擬前端或二級(jí)保護(hù)芯片外，通常還有電池計(jì)量，MCU與隔離通訊電路， 這些器件通常需要2.5~5V的供電電壓，因此需要采用降壓電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為2.5~5V的低電壓電源為他們供電。由于電池包在儲(chǔ)存，運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，常常很長(zhǎng)時(shí)間得不到充電，但是鋰電池管理電路會(huì)持續(xù)消耗電能，這樣就有可能造成鋰電池過(guò)度放電，甚至損壞，但是，由于安全的原因，鋰電池管理電路是不能關(guān)閉的。在需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存的條件下，為了降低系統(tǒng)的功耗， 通常會(huì)將鋰電池管理系統(tǒng)的MCU設(shè)置在休眠狀態(tài)，同時(shí)需要把電源系統(tǒng)的靜態(tài)電流降到0.1mA以下，甚至更低。開關(guān)模式的高壓電源的靜態(tài)電流通常較高， 因此客戶通常會(huì)采用LDO(比如TPS7A4001)的方式為MCU供電，但是由于LDO的效率很低 （~10~15%），這又會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱等問(wèn)題。TI近期推出的高壓同步降壓電源方案LM5164/LM5165 靜態(tài)電流低至10uA，同時(shí)提供>80%/90%高效率。LM5165耐壓65V， 最大輸出電流150mA，可用于給MCU與電量計(jì)芯片以及通訊接口供電； LM5154耐壓100V，最大輸出電流1A,還可以為外置的USB接口提供電源，便于為手機(jī)等提供應(yīng)急電源。

b.隔離電源SN6501

CAN,RS485等總線的隔離都離不開隔離電源, TI推出的SN6501是一個(gè)單芯片隔離電源方案，采用推挽式架構(gòu)驅(qū)動(dòng)隔離變壓器，可為3.3V/5V總線提供150~350mA的電流。相比傳統(tǒng)的隔離電源，SN6501不需要啟動(dòng)電路與電壓反饋電路，架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，頻率可高達(dá)360~410KHz，因此可采用小體積的變壓器，外部電路很少，整體體積與成本大大降低。SN6501內(nèi)部集成了死區(qū)保護(hù)功能， 50~100mA 負(fù)載條件下，效率可高達(dá)85%左右。

c.FLY-BUCK 隔離電源LM5018/LM5019

相比于LM5164/LM5165+SN6501的電源架構(gòu)，F(xiàn)LY-BUCK架構(gòu)的隔離電源只需要一顆電源芯片，具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但在靜態(tài)功耗，輸出電壓的精度，電源間的相互干擾方面較差。LM5018/LM5019都是支持FLY-BUCK架構(gòu)的100V耐壓電源方案。其工作原理如下所示：

d.帶看門狗功能的定時(shí)器TPL5010

因?yàn)橐O(jiān)控系統(tǒng)的安全，BMS系統(tǒng)的MCU工作時(shí)是不能關(guān)機(jī)的，但是MCU的工作電流通常都比較大 （>1mA），因此為了降低電池閑置狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)功耗，必須讓MCU進(jìn)入待機(jī)模式，但是也要能定期喚醒，以便監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，這就需要用到定時(shí)器了。

TPL5010可以提供100ms~7200s時(shí)間間隔的定時(shí)器，通過(guò)外部電阻可以靈活設(shè)置，精度為1%，靜態(tài)功耗只有35nA。 此外，TPL5010還集成了看門狗的功能，以避免MCU 程序跑飛時(shí)造成嚴(yán)重安全后果，EN50271等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此已有要求。

6、隔離通訊

根據(jù)新國(guó)標(biāo)的要求，電動(dòng)摩托車需要配備CAN總線接口。CAN總線是使用差分電壓信號(hào)的半雙工異步串行通訊協(xié)議，具有優(yōu)先級(jí)管理，仲裁等復(fù)雜的機(jī)制以保障通訊的可靠性，而 MCU的通訊通常采用高低電平邏輯的方式傳輸數(shù)據(jù)，因此，電動(dòng)摩托車電池需要采用CAN總線收發(fā)器， 比如TCAN1042。大多數(shù)的電動(dòng)車電池將充放電MOS放在低壓側(cè)，當(dāng)電池進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)后，充放電MOS會(huì)斷開，這就導(dǎo)致電池保護(hù)板的地電壓與外部設(shè)備的地電平間可能會(huì)產(chǎn)生較大的電勢(shì)差，從而造成損壞。而且對(duì)于帶有通訊接口的電池，由于電池內(nèi)部存在高電壓，存在觸電或損壞外部設(shè)備的可能。因此，通訊接口應(yīng)具有隔離功能，TI 也有集成了收發(fā)器與隔離功能的CAN總線收發(fā)器ISO1042、ISO1050等。另外，如前所述，對(duì)于大于15S的電池，可以采用2個(gè)BQ76930級(jí)聯(lián)的架構(gòu)，上端的BQ76930需要通過(guò)一個(gè)I2C 隔離器與MCU進(jìn)行通訊，比如ISO1540/ISO1541。TI的隔離器件采用容性隔離技術(shù)，具有整體方案體積小，速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，能耐受高溫環(huán)境，壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

a.TCAN1042

TCAN1042系列滿足ISO1188-2標(biāo)準(zhǔn)，支持2Mbps通訊速率，最高可以支持5Mbps通訊速率。CAN總線支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受+/-58V或+/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，TCAN1042支持3.3V/5V邏輯電平與MCU通訊，環(huán)路延時(shí)低于110ns。TCAN1042可設(shè)置為standby模式，最低功耗可低至0.5~5uA, 并且可以通過(guò)CAN總線通訊喚醒。

如果采用3.3V的CAN總線邏輯電平，TCAN334可實(shí)現(xiàn)與TCAN1042類似的功能，但是CAN總線耐壓值會(huì)降低到+/-14V.

b.ISO7721

CAN總線通常都要求隔離，可以采用ISO7721與TCAN1042配合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。ISO7721支持2.5V/3.3V/5V邏輯電平通訊，隔離等級(jí)>3000V或5000V （兩種不同封裝），通過(guò)了UL, VDE, TUV, CSA, CQC認(rèn)證。ISO7721支持最高100Mbps通訊速率，環(huán)路延遲11ns.

C. ISO1042

為了減少方案的體積并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，通常將CAN總線收發(fā)器與隔離功能集成在一起，比如ISO1042。

ISO1042滿足ISO1188-2標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了UL, VDE, TUV, CSA, CQC認(rèn)證，支持2Mbps通訊速率，最高可以支持5Mbps通訊速率。CAN總線支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受 +/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，隔離等級(jí)5000V 。ISO1042支持1.8V/2.5V/3.3V/5V邏輯電平與MCU通訊，環(huán)路延時(shí)低于160ns。ISO1042集成了總線短路等保護(hù)功能以保障芯片的安全。

d.ISO1541

如前所述，對(duì)于>15串電芯級(jí)聯(lián)的應(yīng)用，可以采用2顆BQ76930或BQ76940級(jí)聯(lián)的架構(gòu)，MCU或BQ8350需要讀取上端電芯的電壓等數(shù)據(jù)，但上端的BQ76930/BQ76940的地線電平與MCU不一致，因此需要通過(guò)隔離的I2C接口與MCU通訊， ISO1541是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

ISO1541滿足UL1577標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了UL, CSA, CQC，VDE認(rèn)證，支持1Mbps雙向通訊速率。CAN總線支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受 +/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，隔離等級(jí)2500V 。ISO1541支持3.3V/5V邏輯電平。

審核編輯：郭婷