簡述新能源電動汽車BMS系統(tǒng)及芯片技術(shù)

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：Amanda

一、BMS系統(tǒng)簡介

新能源電動汽車控制系統(tǒng)主要由電池管理系統(tǒng)（BMS）、充電機(jī)控制單元、電動機(jī)控制單元和整車控制單元（如圖1）等組成。

圖1：新能源電動汽車控制系統(tǒng)

其中，BMS系統(tǒng)是電動汽車中的不可缺少的核心部分,能夠?qū)π履茉措妱悠囘M(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和在線監(jiān)測,從而采集電池系統(tǒng)電壓、電流、溫度等感知參數(shù)。另外，BMS系統(tǒng)還能夠?qū)﹄姵剡\(yùn)行狀態(tài)和電池組離散性進(jìn)行科學(xué)控制，一旦電池組出現(xiàn)故障或潛在隱患，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信號，提醒相關(guān)人員采取措施進(jìn)行處理。如果將電動汽車中的電池組比作一支軍隊，那么BMS系統(tǒng)就是帶領(lǐng)軍隊前進(jìn)的領(lǐng)導(dǎo)，其存在能夠使電池組運(yùn)行達(dá)到事半功倍的效果。按照功能，我們可以把BMS的核心功能（如圖2）劃分為電池監(jiān)控（Cell Monitoring）、電池安全和保護(hù)（Battery Safety and Protection）、電池均衡（Cell Balancing）、健康狀態(tài)估算（SOH）、充電狀態(tài)估算（SOC）、充電控制（Charge Control）、熱管理（Thermal Management）等功能。

圖2：BMS核心功能

二、BMS芯片技術(shù)簡述

隨著新能源電動汽車自燃事故與日俱增，為保障電池的安全穩(wěn)定，電池管理芯片已成為新能源汽車、消費(fèi)電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域極其重要的元器件。值得注意的是，在消費(fèi)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，市場上已經(jīng)涌現(xiàn)出非常多的國產(chǎn)品牌電池管理芯片，但在應(yīng)用于新能源汽車的動力電池領(lǐng)域，BMS芯片仍舊依賴進(jìn)口芯片，***寥寥無幾。能提供車規(guī)級BMS芯片完整解決方案的供應(yīng)商主要有ADI、TI、ST、NXP、Renesas、Infineon等企業(yè)。我國BMS芯片和國外的差距主要體現(xiàn)在檢測精度、均衡算法以及所支持的最高電池節(jié)數(shù)方面，相信在國家的大力支持和集成電路行業(yè)的高速發(fā)展，以及電動汽車和消費(fèi)電子應(yīng)用的推動，BMS芯片也將實(shí)現(xiàn)快速增長。

良好的BMS芯片對安全駕駛起著重要作用。BMS芯片主要涉及到 AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等（如圖3）。其中，AFE模擬前端芯片（在BMS中專指電池采樣芯片），用來采集電芯電壓、電流、溫度等感知信息后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，同時還要支持電池的均衡功能，通常來說芯片會集成被動均衡功能。BMS中的MCU芯片起到處理AFE芯片采集的信息并計算SOC、SOH等參數(shù)的作用。數(shù)字隔離器主要在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣和MCU之間的SPI通信以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。

圖3：BMS系統(tǒng)功能組成圖

AFE模擬前端芯片(電池采樣芯片)

電動汽車電池系統(tǒng)一般由成百上千的電芯組成（比如特斯拉有上千節(jié)，比亞迪E6有上百塊電芯）。當(dāng)檢測電芯狀態(tài)（電壓、電流、溫度）時，我們需要采用專用的AFE（電池管理系統(tǒng)模擬前端芯片），它是一種多路采樣通道的監(jiān)控芯片，能對電芯進(jìn)行電壓和溫度等感知參數(shù)的監(jiān)測。AFE芯片將采集的電池電壓、電流及溫度等信號經(jīng)過ADC處理，處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制碼，然后通過通信接口SPI/IIC/UART傳遞給主控制器MCU，MCU會根據(jù)電池的電壓、電流、溫度狀態(tài)來控制電池充放電，防止其發(fā)生充電過壓、過流或者放電欠壓、過流。AFE還可以檢測電池的使用狀況，并實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整電池參數(shù)，使電池始終保持最穩(wěn)定的工作狀態(tài)，防止退化的電池影響電動汽車的正常工作狀態(tài)。BMS AFE主要包含采集模塊、均衡開關(guān)、通信模塊。采集模塊一般有包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、參考源（REFERENCE）和模擬開關(guān)（MUX），AFE總體功能框圖如圖4：

圖4：AFE總體功能框圖

目前BMS AFE芯片基本被國外大廠所壟斷，比如：ST、ADI、TI、NXP等。不同廠商的AFE其內(nèi)部設(shè)計不同，具體參數(shù)對比如下：

ADC芯片

高精度電池參數(shù)監(jiān)測是保障BMS芯片正常工作的基礎(chǔ)，電芯的電壓、電流、溫度等感知參數(shù)都是模擬量，而我們接收到的大多數(shù)是數(shù)字量，因此高精度ADC成為BMS芯片中的關(guān)鍵模塊。ADC芯片的主要作用是將在時間和幅度上都連續(xù)地模擬的電信號進(jìn)行量化，生成能夠用數(shù)字表征的信號幅度值。ADC芯片從模擬到數(shù)字的變化一般需要經(jīng)歷四個階段：

ADC芯片主要看兩個基本指標(biāo)，一個是采樣速率，一個是轉(zhuǎn)換精度，速率代表著ADC可以轉(zhuǎn)換多大帶寬—Bandwidth的模擬信號，帶寬對應(yīng)的就是模擬信號頻譜中的最大頻率。精度就是衡量轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號與原來的模擬信號之前的差距。ADC的位數(shù)越多，精度就越高，速度就越慢，ADC芯片關(guān)鍵難度在于速率和精度難以兼得，各個類型ADC的速率及精度關(guān)系如下：

圖5：各個類型ADC的速率及精度關(guān)系

常見的ADC類型有Σ-?（Sigma-Delta型）、SAR（逐次逼近型）、Pipeline（流水線型）、Flash（比較型）等等。

四種ADC技術(shù)對比：

在選擇ADC芯片時除了關(guān)注芯片的速率和精度外，還需要考慮芯片的量程、ADC輸出接口、通道數(shù)和封裝等參數(shù)。最為知名的廠商有TI、ADI、ST、Renesas等等。不同廠商ADC芯片部分參數(shù)對比：

MCU芯片

MCU芯片是BMS系統(tǒng)的核心部分，其主要任務(wù)有：（1）用來處理AFE采集的信息，計算SOC、SOH等參數(shù)，并將這些信息傳送給上一級整車控制器VCU；（2）對電源管理芯片及其外部電路進(jìn)行控制。相對于消費(fèi)級和工業(yè)級MCU，車規(guī)級行業(yè)壁壘要高。汽車 MCU主要包含 8/16/32位三種：①主要應(yīng)用于車身控制、信息系統(tǒng)、引擎控制、安全系統(tǒng)及動力系統(tǒng)的32位 MCU，比如預(yù)碰撞、自適應(yīng)巡航控制、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能以及復(fù)雜的 X-by-wire等傳動功能；②主要應(yīng)用于動力傳動系統(tǒng)和底盤機(jī)構(gòu)的16位MCU，比如引擎控制、齒輪與離合器控制、電子式渦輪系統(tǒng)方向盤、電子剎車等；③主要應(yīng)用于車體各個次級系統(tǒng)的8位MCU，比如：風(fēng)扇/空調(diào)控制、雨刷、天窗、車窗升降、集線盒、座椅控制等較低階的控制功能。

不同廠商車規(guī)級MCU芯片對比：

數(shù)字隔離芯片

隔離器件是將輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出，以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。通常AC-DC或中高電壓DC-DC電源轉(zhuǎn)換的電子電路，都需要電氣隔離。電氣隔離的主要作用是安全隔離（保障人員和設(shè)備的安全）和功能隔離（提高電路的抗干擾能力）。目前市場上常用的隔離方式通常有：光耦、容耦、磁耦。

圖6：常用隔離方式

（1）光耦隔離：利用發(fā)光二極管（LED）發(fā)出一定波長的光（將電信號轉(zhuǎn)換為光信號），被光探測器接收而產(chǎn)生電流（將光信號轉(zhuǎn)換為電信號），實(shí)現(xiàn)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過光這一載體實(shí)現(xiàn)前后級電信號的隔離。

（2）容耦隔離：由初級電路、片上電容、次級電路組成，利用電容的“通交流、阻直流”特性實(shí)現(xiàn)“電荷-電壓-電場”之間的轉(zhuǎn)換。其本質(zhì)是電流-電壓信號之間的相互轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，進(jìn)而使電解質(zhì)中的電場發(fā)生相對應(yīng)的變化，通過電場傳播發(fā)射端電信號到接收端，實(shí)現(xiàn)信號的隔離和傳輸。

（3）磁耦隔離：由初級電路、片上變壓器、次級電路組成。利用電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)“電—磁—電”的傳遞，并構(gòu)建與之精確配合的發(fā)送和接受電路。把需要傳輸?shù)淖兓盘柤釉谧儔浩鞯某跫壘€圈，該信號在初級線圈中產(chǎn)生的磁①場，變化的磁場使次級線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級感應(yīng)出與初級線圈激勵信號相關(guān)的變化信號輸出，以達(dá)到隔離初次級的目的。

三種隔離技術(shù)對比：

目前生產(chǎn)數(shù)字隔離芯片的國外廠商主要有ADI、TI、Skyworks、NVE等，不同廠商的隔離方式不同，比如：ADI-電磁隔離，TI-電容隔離，東芝半導(dǎo)體-光耦隔離。光耦隔離有著速度慢、信號耦合等問題，隨著新一代汽車系統(tǒng)的應(yīng)用，光耦隔離器很難滿足高端客戶的需求，而數(shù)字隔離器有著體積小、速度快和集成度高等優(yōu)勢，因此目前主要采用電容隔離和電磁隔離兩類。

以下是不同產(chǎn)品的參數(shù)對比：

審核編輯：湯梓紅