《電子技術(shù)應(yīng)用》
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“電源芯片+高可靠性MCU”聯(lián)手,解BMS“燃眉之急”

2020-02-27
來(lái)源:與非網(wǎng)
關(guān)鍵詞: L9678 L9396

  目前,BMS 對(duì)延長(zhǎng)電池續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間方面會(huì)有哪些改善?BMS 在電動(dòng)汽車安全方面發(fā)揮哪些重要作用?BMS 還需要進(jìn)行哪些整合和優(yōu)化?

  在與非網(wǎng)策劃的《BMS 的新使命》專題中,我們邀請(qǐng)了意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)經(jīng)理姜炯迪先生和市場(chǎng)經(jīng)理付志凱先生一起參與討論。

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  意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)經(jīng)理 姜炯迪

  作為新能源汽車的核心能量源,動(dòng)力電池的續(xù)航里程和充電時(shí)間一直被用戶關(guān)注,續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)一直是電動(dòng)汽車的痛點(diǎn),BMS 是否可以對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行改善?姜炯迪表示,續(xù)航里程主要和電池的容量、能量回收、電機(jī)效率以及車重等因素有關(guān)。充電時(shí)間主要和電池特性、充電樁的電流能力等因素有關(guān)。在保證電池安全的前提下,BMS 可以最大限度的使用電池能量以及提高能量回收效率,并最大限度的提高充電電流來(lái)提高充電速度。在充放電過(guò)程中,BMS 通過(guò)實(shí)時(shí)的對(duì)電池外特性參數(shù)(如電壓,電流,溫度等)進(jìn)行監(jiān)控,再采用適當(dāng)?shù)能浖惴▽?shí)現(xiàn)對(duì)電池的內(nèi)部狀態(tài)(SoC,SoH)的檢測(cè)和控制,然后通過(guò)熱管理,電池均衡管理以及充放電管理使電池處于最佳的工作狀態(tài),不會(huì)達(dá)到過(guò)放或者過(guò)充,同時(shí)最大限度提高充電電流?!?/p>

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  意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)汽車電子市場(chǎng)及應(yīng)用部新能源車技術(shù)創(chuàng)新中心市場(chǎng)經(jīng)理 付志凱

  打造完整系統(tǒng)保證電動(dòng)汽車安全

  電動(dòng)汽車的安全是要保證全生命周期的安全,包括高壓零部件的設(shè)計(jì),存儲(chǔ)與運(yùn)輸和裝配,以及車輛存放,充電,駕駛,事故,檢修維修和保養(yǎng)過(guò)程中以及電池回收處理的安全性。當(dāng)然電池包作為電動(dòng)車的能量來(lái)源,安全性尤為重要,主要包括高壓安全(比如漏電也就是絕緣失效)和熱失控(引起燃燒爆炸)2 種模式。在整車系統(tǒng)中,直流超過(guò) 60V 就要考慮高壓安全,電動(dòng)車的峰值功率要到達(dá) 100kW 以上,電池系統(tǒng)的母線電壓目前已達(dá)到 400V 左右,將來(lái)也可能會(huì)升級(jí)到 800V 左右,所以高壓安全極為重要;同時(shí),鋰電池只有幾伏的電壓,目前一套電池系統(tǒng)需要 100 個(gè)左右的電池串聯(lián),而且為了增大電池容量,還需要并聯(lián)若干電池,這意味著 BMS 需要管理成百上千的電池,對(duì)電池管理的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)。

  BMS 要根據(jù)實(shí)時(shí)的電池的外特性參數(shù)(如電壓,電流,溫度)以及歷史記錄估算出電池的狀態(tài),診斷電池管理系統(tǒng)的狀態(tài),進(jìn)行相應(yīng)的故障處理機(jī)制,比如報(bào)警,降額功能使用,或切斷電池系統(tǒng)等等。姜炯迪對(duì)與非網(wǎng)記者解釋,“ST 有 30 多年的汽車電子開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),針對(duì) BMS,ST 可以能夠提供完整的系統(tǒng)解決方案,該方案主要由高可靠性系統(tǒng)的基礎(chǔ)電源芯片 L9396、高安全特性的 PowerPC 架構(gòu)的 MCU(SPC57x/58x)、以及緊急斷開(kāi)電池系統(tǒng)的 L9678 組成,支持 AUTOSAR,功能安全 ASILD,HSM 以及 FOTA?!?/p>

  他還表示,“對(duì)于模擬前端芯片,可以通過(guò)單一芯片 L9963 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ASIL D 的要求;具有全溫度范圍內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的采樣精度;低成本、高抗擾的高速隔離的雙向菊花鏈;每個(gè)通道獨(dú)立的 ADC 能夠?qū)崿F(xiàn)真正的電池電壓 0us 同步采樣以及冗余的電壓采樣;支持模組之間跨接 bus-bar 負(fù)壓的應(yīng)用;支持內(nèi)部均衡同時(shí)開(kāi)啟以提高均衡效率;最大化的簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)成本?!?/p>

  應(yīng)對(duì)安全和成本挑戰(zhàn),加大高附加值軟件投入

  安全性和成本是 BMS 面臨兩大挑戰(zhàn),前面已經(jīng)對(duì)安全性問(wèn)題做了分析。在成本方面,ST 會(huì)持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),最大化的集成外圍元器件,支持客戶優(yōu)化系統(tǒng)成本。

  付志凱分析,“與此同時(shí),隨著汽車迭代速度越來(lái)越快以及功能越來(lái)越多,這就要求 BMS 的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短以及系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜,同時(shí)還要滿足 AUTOSAR,功能安全,Cyber security(網(wǎng)絡(luò)安全)以及在線實(shí)時(shí)刷新 FOTA 等等,這樣客戶對(duì)芯片廠商的支持力度和響應(yīng)速度都有很高的要求。ST 提供完整的系統(tǒng)解決方案包括硬件設(shè)計(jì)以及 BSW 軟件,相當(dāng)于給客戶提供一個(gè) base 設(shè)計(jì),客戶可以根據(jù)自己的具體需求在該方案上基礎(chǔ)上做些調(diào)整,大大降低客戶的開(kāi)發(fā)周期,而且客戶可以把精力放在對(duì)客戶附加值更高的應(yīng)用層軟件上來(lái)?!?/p>

  目前 BMS 主要有主從式、一體式、半集中式。未來(lái)在整車架構(gòu)上面,會(huì)簡(jiǎn)化部分 BMS 的功能到其他模塊,比如高壓測(cè)量、高壓繼電器的控制和診斷以及熱管理,使 BMS 的功能更加集中在單體電芯的測(cè)量功能(電壓、電流、溫度等)和保護(hù)上面。

  合理地電池包熱設(shè)計(jì)提高電池壽命

  除了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是目前的一大痛點(diǎn),電池壽命也是電動(dòng)汽車廠商面臨的重要課題,廠商在通過(guò)各種方式延長(zhǎng)電池的壽命。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,單體電芯是由正極材料,負(fù)極材料,電解液,隔膜,電氣元件和結(jié)構(gòu)件組成,其中正負(fù)極材料和電解液對(duì)電池的性能尤為重要。電池在使用過(guò)程中反復(fù)充電,由于電池內(nèi)部正負(fù)極材料消耗和副反應(yīng)不斷發(fā)生使得電池性能衰退,造成電池壽命下降。

  在付志凱看來(lái),電池內(nèi)部是電化學(xué)反應(yīng),電池在高溫環(huán)境中副反應(yīng)的發(fā)生速度和概率大大提高,不僅影響壽命,甚至帶來(lái)安全問(wèn)題;合理的電池包的熱設(shè)計(jì),控制電池一直工作在適當(dāng)?shù)臏囟?,可以提高電池使用壽命。盡量減少電池的充放電倍率,高倍率充放(快充,快放)電會(huì)使電池極化,極化的內(nèi)阻在充放電電流的作用下產(chǎn)生大量的熱,會(huì)加劇電池內(nèi)部副反應(yīng)。避免深度放電(DoD),深度放電會(huì)破壞電極材料的晶體結(jié)構(gòu),會(huì)減低電池壽命。


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