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電池系統(tǒng)和充電里面的芯片進化特點

汽車電子設計 ? 來源:汽車電子設計 ? 作者:汽車電子設計 ? 2020-11-16 09:42 ? 次閱讀
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新能源汽車最核心和最貴的兩個器件是IGBT和電芯,圍繞這兩個器件其實在三電系統(tǒng)檢測和保護中芯片起到了很大的作用,隨著汽車內電壓從12V、48V、200V+、400V+最后到800V,監(jiān)測和保護的芯片電路的功能重要性也越來越重要。當然這部分成本在BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。

01

不同的電壓組合

從整體的演進路線,目前主要汽車里面由單一的電壓等級12V開始逐步往多個電壓轉變,主要發(fā)展方向為:

1)混合動力12V+48V:采用兩顆電池,一般是12VAGM電池和48V鋰電池作為搭配。

2)混合動力12V+HV:采用兩顆電池,12VAGM鉛酸電池和高壓鋰電池作為組合

3)電氣化:主要包含12V+HV、12V+48V+12V和HV+48V(目前這種設計并不存在,只是演進的方向) 這里值得一提的是48V電源供電設計,48V電壓平臺通常用于為需要更高功率的負載供電,連接到48 V電壓平臺上的ECU都需要高效,高功率密度且能夠承受ISO 21780中規(guī)定的工作電壓要求的電源管理設備。可以使用降壓穩(wěn)壓器,三相柵極驅動器和電池管理系統(tǒng)之類的產品,配合電流和電壓檢測放大器產品組合。

02

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)的主要任務是通過保證電池系統(tǒng)的設計性能,從硬件結構上,電池管理系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器、高低壓線束等組成,從硬件結構上來看,它有以下的功能模塊:

1)電池參數檢測(傳感器層):包括電池系統(tǒng)總電壓、總電流、單體電池電壓檢測、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等。

2)接觸器控制與電池安全保護(執(zhí)行層):電池管理系統(tǒng)具備驅動接觸器的電路和診斷接觸器各個高壓節(jié)點的實際狀態(tài),接觸器在實際情況下是集成在智能斷開盒中的

3)MCU計算核心:這部分是整個電池管理系統(tǒng)的算法,這部分也是電池系統(tǒng)作為一個整車控制器實現既定的功能安全目標最為基礎的電路結構。

4)均衡電路:整個電池系統(tǒng)的不一致性直接影響電池系統(tǒng)地實際可用容量,這個不一致性會隨著時間進行累積。目前隨著電池進入200Ah的時代,均衡的作用和能力進入一個微妙的時代。

5)電源管理電路和EMC抑制:電池管理系統(tǒng)從電池模組和12V電池上驅電,通過合理的保護電路來管控不同節(jié)點的電源情況。

6)網絡通訊和喚醒電路:電池管理系統(tǒng)是需要與整車動力總成、車身網絡等整車網絡節(jié)點通信,也需要進行對應的網絡管理和喚醒休眠管理。

7)信息存儲單元:用于存儲關鍵數據,比如在整個生命周期內客戶使用的情況,這部分核心內容是記錄電池系統(tǒng)超出預期的濫用數據的時間和頻次。

隨著域控制器的引入,BMS內存儲信息,主要是以FOTA 的要求為主,存數據倒不是重要的事情。 如下圖所示,想要完成一個大的完整的電池管理系統(tǒng)在一塊電路板上面,其硬件和軟件的復雜度,特別是高低壓混合的情況比較突出,外圍的高低壓線束使得整個電池管理系統(tǒng)在硬件設計上難以實現。

圖1 電池管理系統(tǒng)的硬件基本框架

圖2 某個典型的BMS電路,后續(xù)會拆解分析

03

電池系統(tǒng)和充電里面的芯片進化特點

如何提高電池管理系統(tǒng)的可靠性?

電池的AFE檢測芯片,以德州儀器 (TI) BQ79606A-Q1為例,主要的設計方向是在芯片層面提高芯片的功能安全等級和可靠性。高度集成的BQ79606A-Q1 可精確監(jiān)控溫度和電壓水平,有助于最大限度地延長電池使用壽命和上路時間。此外,BQ79606A-Q1電池監(jiān)控器具有安全狀態(tài)通信功能,可幫助系統(tǒng)設計人員滿足汽車安全完整性等級D(ASIL-D)的要求。這是ISO 26262道路車輛標準定義的最高功能安全目標。 目前AFE方面,在電壓檢測,溫度檢測和通訊功能達到汽車安全完整性等級ASIL-D。 在通信方面,AFE占據主要的功能,從之前的CAN大部分企業(yè)都逐步過渡到的菊花鏈的通信方式,在菊花鏈的環(huán)體系結構,即使在一端通訊電纜斷開的情況下,也可以通過反向通訊保證所有電池模組的通訊

圖3 菊花鏈通信方式

在設計方面中,無需外部齊納二極管也可實現強大的熱插拔性能。目前電池系統(tǒng)需要優(yōu)化低溫下的充電/放電性能,并確保高溫下電池保持在安全的工作區(qū)域內。為了應用適當的熱管理策略,有必要在電池/電池組水平上進行準確的電壓和溫度感測(BQ79606A-Q1)。這些可能需要在冷啟動條件下進行預熱,并在較高溫度下進行冷卻。

小結:這幾年BMS的發(fā)展,主要還是在AFE芯片的優(yōu)化上,本身BMS本體的功能發(fā)展還是比較有限的,隨著BMS和域控制器的迭代發(fā)展,這方面的特點會越來越明顯。作為模擬芯片老大,TI近些年不斷推出相關的車規(guī)級產品和參考設計,比如上文提到的 BQ79606A-Q1和基于該產品的可擴展的6s 至 96s鋰電池監(jiān)控演示器參考設計,并且還在不斷研發(fā)新一代產品,加速這個領域的創(chuàng)新迭代過程。另外說個題外話, 最近看到了許多TI針對于汽車市場的宣傳活動,可見其對汽車領域的重視。

圖4 TI在上海汽車城安亭地鐵站的廣告宣傳

責任編輯:lq

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原文標題:汽車芯片進化和電池管理芯片

文章出處:【微信號:QCDZSJ,微信公眾號:汽車電子設計】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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