簡述新能源電動汽車BMS系統(tǒng)及其芯片方案

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）、充電機控制單元、電動機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)是電動汽車中不可缺少的核心部分,能夠?qū)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%B1%A0%E7%B3%BB%E7%BB%9F/">電池系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等狀態(tài)量進(jìn)行在線監(jiān)測。另外，BMS系統(tǒng)還能夠?qū)﹄姵剡\行狀態(tài)和電池組離散性進(jìn)行檢測，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行達(dá)到事半功倍的效果。BMS的核心功能（如圖2）可被劃分為電池監(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（State of Health）、充電狀態(tài)估算SOC（State of Charge）、充電控制（Charge Control）和熱管理（Thermal Management）等。

圖2：BMS核心功能

二、BMS上的芯片簡述

眾所周知，電池管理芯片在新能源汽車中保障了電池的安全穩(wěn)定,已成為電動汽車極其重要的元器件。值得注意的是，在消費電子和工業(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，但在新能源汽車領(lǐng)域，BMS芯片仍舊依賴進(jìn)口芯片，國產(chǎn)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 (Analog Devices,Inc.)、TI(Texas Instruments)、ST(STMicroelectronics)、NXP(NXPSemiconductors)、Renesas(Renesas Technology Corp.)、Infineon(Infineon Technologies)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、均衡控制電路以及所支持的最高電池節(jié)數(shù)方面。隨著集成電路行業(yè)在國家政策的支持下高速發(fā)展，以及電動汽車和消費電子應(yīng)用的推動，BMS芯片技術(shù)也將實現(xiàn)快速發(fā)展。

BMS系統(tǒng)的實現(xiàn)需要各類芯片支撐，主要涉及到 AFE（Active Front End）、ADC（Analog to Digital Converter）、MCU（Microcontroller Unit）、數(shù)字隔離器等（如圖3）。其中，AFE負(fù)責(zé)采集電芯電壓、電流、溫度等感知信息，同時也支持電池的均衡功能。被采集的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）被轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并由MCU芯片處理并計算SOC、SOH等參數(shù)。數(shù)字隔離器主要用于保障數(shù)字通信時高低壓電路之間的電氣隔離，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芯片

電動汽車電池系統(tǒng)一般包含了數(shù)量眾多的電芯，為對電芯電壓、電流及溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和觀察，我們需要采用專用的AFE芯片。它是一種擁有多路采樣通道的監(jiān)控芯片，能對電芯的電壓和溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。BMS系統(tǒng)中的AFE一般由均衡開關(guān)、通信模塊、采集模塊等部分組成。其中，采集模塊包含模擬開關(guān)（MUX）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、參考源（REFERENCE），AFE總體功能框圖如圖4：在AFE的采集模塊中，模擬信號經(jīng)模擬開關(guān)采樣后，經(jīng)過ADC處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過通信接口SPI/IIC/UART被傳遞給主控制器MCU。AFE還可以檢測電池的使用狀況，并實時監(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)，防止電池退化影響電動汽車的工作狀態(tài)。

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圖4：AFE總體功能框圖

目前用于BMS的AFE芯片基本被國外大廠所壟斷，比如：ST、ADI、TI、NXP等，國內(nèi)AFE芯片的技術(shù)方案也逐步發(fā)展起來，陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品。本文主要選取國外廠商的型號做對比，不同廠商的AFE其內(nèi)部設(shè)計不同，具體參數(shù)對比如表1：

表1 國外各廠商AFE芯片對比

• ADC芯片

BMS中的模擬信號需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能加以處理，轉(zhuǎn)化的精度決定了算法的實施性和運算精度。ADC芯片的主要作用是將在時間和幅度上都連續(xù)的模擬信號進(jìn)行量化，生成能夠用數(shù)字表征的信號幅值。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芯片有兩個基本指標(biāo)，一個是轉(zhuǎn)換速率，一個是轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換速率決定了ADC可以轉(zhuǎn)換多大帶寬（Bandwidth）的模擬信號。根據(jù)香農(nóng)定理，帶寬決定了可處理模擬信號的最大頻率。轉(zhuǎn)換精度衡量了轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號與原來的模擬信號之前的誤差。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。

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，具體的技術(shù)對比如表2：

表2 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（本文選取國外產(chǎn)品作對比）等等。不同廠商ADC芯片部分參數(shù)對比如表3：

表3 國外各廠商ADC芯片對比

• MCU芯片

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。相對于消費級和工業(yè)級MCU，車規(guī)級行業(yè)壁壘要高，以下是車規(guī)級芯片和其他芯片的對比：

表4 不同級別芯片對比

BMS是電動汽車的核心系統(tǒng)，而MCU芯片是BMS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其主要任務(wù)有：（1）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。為了電池安全可靠，MCU必須具備防止電池組過壓、欠壓、溫度超過閾值上限、短路和過載等功能。近年來，我國“缺芯”問題一直備受關(guān)注，亟需大量車規(guī)級MCU芯片來滿足市場供應(yīng)，國產(chǎn)芯片迎來了新機遇。目前國內(nèi)車規(guī)級MCU芯片廠商都陸續(xù)嶄露頭角，并紛紛實現(xiàn)量產(chǎn)，進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈體系。本文主要列舉一些國外的車規(guī)級MCU廠商做對比，表5是不同廠商MCU芯片對比：

表5 不同廠商MCU芯片對比

• 數(shù)字隔離芯片

數(shù)字隔離是將輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出，以實現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離通常需要在不共地的電路系統(tǒng)中（通常為高壓和低壓之間）進(jìn)行設(shè)計考慮，例如AC-DC和DC-DC變換器的驅(qū)動和功率電路之間中。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。

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圖5：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），實現(xiàn)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過光這一載體實現(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。

表6 三種隔離技術(shù)對比

隨著新能源汽車的發(fā)展，數(shù)字隔離芯片銷售顯著提高，目前國內(nèi)數(shù)字隔離芯片已經(jīng)突破了技術(shù)瓶頸，其核心技術(shù)甚至遠(yuǎn)超國際品牌，實現(xiàn)了進(jìn)口替代。本文主要針對國外相關(guān)品牌進(jìn)行對比，比如ADI、TI、Skyworks 、NVE等，不同廠商的隔離方式不同，例如：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，而新型隔離器有著體積小、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。表7是不同產(chǎn)品的參數(shù)對比：

表7 ?國外各廠商隔離芯片對比

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