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一、BMS系統(tǒng)簡(jiǎn)介
新能源電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)機(jī)控制單元和整車(chē)控制單元（如圖1）等組成。
圖1：新能源電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)
其中，BMS系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)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(cè)。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)行檢測(cè)，一旦電池組出現(xiàn)故障或潛在隱患，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)人員采取措施進(jìn)行處理。如果將電動(dòng)汽車(chē)中的電池組比作一支軍隊(duì)，那么BMS系統(tǒng)就是帶領(lǐng)軍隊(duì)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。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(jiǎn)述
眾所周知，電池管理芯片在新能源汽車(chē)中保障了電池的安全穩(wěn)定,已成為電動(dòng)汽車(chē)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(chǎng)上已經(jīng)涌現(xiàn)出非常多的國(guó)產(chǎn)品牌電池管理芯片，但在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，BMS芯片仍舊依賴進(jìn)口芯片，國(guó)產(chǎn)芯片寥寥無(wú)幾。能提供車(chē)規(guī)級(jí)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(guó)BMS芯片和國(guó)外的差距主要體現(xiàn)在檢測(cè)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(guó)家政策的支持下高速發(fā)展，以及電動(dòng)汽車(chē)和消費(fèi)電子應(yīng)用的推動(dòng)，BMS芯片技術(shù)也將實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。
BMS系統(tǒng)的實(shí)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(shí)也支持電池的均衡功能。被采集的模擬信號(hào)通過(guò)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(jì)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(shí)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(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)一般包含了數(shù)量眾多的電芯，為對(duì)電芯電壓、電流及溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(duì)電芯的電壓和溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。BMS系統(tǒng)中的AFE一般由均衡開(kāi)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(kāi)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(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)采樣后，經(jīng)過(guò)ADC處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)通信接口SPI/IIC/UART被傳遞給主控制器MCU。AFE還可以檢測(cè)電池的使用狀況，并實(shí)時(shí)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(dòng)汽車(chē)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(guó)外大廠所壟斷，比如：ST、ADI、TI、NXP等，國(guó)內(nèi)AFE芯片的技術(shù)方案也逐步發(fā)展起來(lái)，陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品。本文主要選取國(guó)外廠商的型號(hào)做對(duì)比，不同廠商的AFE其內(nèi)部設(shè)計(jì)不同，具體參數(shù)對(duì)比如表1：
表1 國(guó)外各廠商AFE芯片對(duì)比
- ADC芯片
BMS中的模擬信號(hào)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(shí)施性和運(yùn)算精度。ADC芯片的主要作用是將在時(shí)間和幅度上都連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行量化，生成能夠用數(shù)字表征的信號(hào)幅值。ADC芯片從模擬到數(shù)字的變化一般需要經(jīng)歷四個(gè)階段：
ADC芯片有兩個(gè)基本指標(biāo)，一個(gè)是轉(zhuǎn)換速率，一個(gè)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(hào)。根據(jù)香農(nóng)定理，帶寬決定了可處理模擬信號(hào)的最大頻率。轉(zhuǎn)換精度衡量了轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字信號(hào)與原來(lái)的模擬信號(hào)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(jiàn)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(duì)比如表2：
表2 四種ADC技術(shù)對(duì)比
在選擇ADC芯片時(shí)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(guó)外產(chǎn)品作對(duì)比）等等。不同廠商ADC芯片部分參數(shù)對(duì)比如表3：
表3 國(guó)外各廠商ADC芯片對(duì)比
- MCU芯片
汽車(chē) MCU 主要包含 8/16/32 位三種：①主要應(yīng)用于車(chē)身控制、信息系統(tǒng)、引擎控制、安全系統(tǒng)及動(dòng)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(dòng)功能；②主要應(yīng)用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和底盤(pán)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(pán)、電子剎車(chē)等；③主要應(yīng)用于車(chē)體各個(gè)次級(jí)系統(tǒng)的8位MCU，比如：風(fēng)扇/空調(diào)控制、雨刷、天窗、車(chē)窗升降、集線盒、座椅控制等較低階的控制功能。相對(duì)于消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)MCU，車(chē)規(guī)級(jí)行業(yè)壁壘要高，以下是車(chē)規(guī)級(jí)芯片和其他芯片的對(duì)比：
表4 不同級(jí)別芯片對(duì)比
BMS是電動(dòng)汽車(chē)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(jì)算SOC、SOH等參數(shù)，并將這些信息傳送給上一級(jí)整車(chē)控制器VCU；（2）對(duì)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(guò)壓、欠壓、溫度超過(guò)閾值上限、短路和過(guò)載等功能。近年來(lái)，我國(guó)“缺芯”問(wèn)題一直備受關(guān)注，亟需大量車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片來(lái)滿足市場(chǎng)供應(yīng)，國(guó)產(chǎn)芯片迎來(lái)了新機(jī)遇。目前國(guó)內(nèi)車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片廠商都陸續(xù)嶄露頭角，并紛紛實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，進(jìn)入汽車(chē)供應(yīng)鏈體系。本文主要列舉一些國(guó)外的車(chē)規(guī)級(jí)MCU廠商做對(duì)比，表5是不同廠商MCU芯片對(duì)比：
表5 不同廠商MCU芯片對(duì)比
- 數(shù)字隔離芯片
數(shù)字隔離是將輸入信號(hào)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。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(jì)考慮，例如AC-DC和DC-DC變換器的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(zhǎng)的光（將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)），被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生電流（將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)），實(shí)現(xiàn)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過(guò)光這一載體實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電信號(hào)的隔離。
（2）容耦隔離：由初級(jí)電路、片上電容、次級(jí)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(chǎng)”之間的轉(zhuǎn)換。其本質(zhì)是電流-電壓信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，進(jìn)而使電解質(zhì)中的電場(chǎng)發(fā)生相對(duì)應(yīng)的變化，通過(guò)電場(chǎng)傳播發(fā)射端電信號(hào)到接收端，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和傳輸。
（3）磁耦隔離：由初級(jí)電路、片上變壓器、次級(jí)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?hào)加在變壓器的初級(jí)線圈，該信號(hào)在初級(jí)線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)使次級(jí)線圈的磁通量發(fā)生變化，從而在次級(jí)感應(yīng)出與初級(jí)線圈激勵(lì)信號(hào)相關(guān)的變化信號(hào)輸出，以達(dá)到隔離初次級(jí)的目的。
表6 三種隔離技術(shù)對(duì)比
隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，數(shù)字隔離芯片銷售顯著提高，目前國(guó)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(guó)際品牌，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。本文主要針對(duì)國(guó)外相關(guān)品牌進(jìn)行對(duì)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(hào)耦合等問(wèn)題，隨著新一代汽車(chē)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(shì)，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(duì)比：
表7 ?國(guó)外各廠商隔離芯片對(duì)比
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