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利用电池管理系统(BMS)技术推动汽车电气化

2023-01-21 01:08:59 赵明灿 阅读:
为了推动汽车的电气化进程,新能源汽车制造商们一直在致力于充分增加行驶里程、降低电动汽车价格、提高充电速度和操作安全性。

为了推动汽车的电气化进程,新能源汽车制造商们一直在致力于充分增加行驶里程、降低电动汽车价格、提高充电速度和操作安全性。具体来说也即:jpkednc

  • 更大限度地延长续航里程:通过准确地报告电池荷电状态和运行状况更大限度地延长续航里程。
  • 改进电动汽车充电:设计支持高性能拓扑、高级功能和高阶架构的更小、更高效的系统。
  • 让电动汽车更经济实惠:各种引脚对引脚兼容且符合汽车应用标准的器件,以支持不同化学成分的电芯和车辆架构。
  • 实现安全操作:通过优化的热管理和增强的电气安全性提高动力总成系统的可靠性和性能。

这其中涉及的一个关键就是电池管理系统(BMS)。jpkednc

日前,在德州仪器(TI)高压电池管理系统新品发布会上,德州仪器(TI)电池管理系统事业部总经理王世斌表示,通过在BMS方面不断创新,TI能够帮助汽车制造商们克服一些阻碍电动汽车普及的关键因素:jpkednc

第一,在电源管理系统上,TI有着丰富的电源管理经验,并且在如何减小电源管理系统的体积和提高性能方面持续钻研。在电池管理支持方面,TI通过优化拓扑结构,可以做到对不同电池架构、电池数量(如12节电池、16节电池甚至最高18节电池)的相互兼容。这意味着大家在设计具体系统时,在一些软硬件方面可以实现更好的共用,亦可提升设计的效率。jpkednc

第二,对电池应用来说,安全是重中之重。TI的产品通过提高电池测量精度,包括对温度参数、精确电流参数测量精度的提高,优化热管理,以提升整个电池系统的安全性能。jpkednc

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德州仪器电池管理系统事业部总经理王世斌jpkednc

BMS的设计挑战

王世斌表示,他本人一直致力于带领团队解决BMS中各种各样所正在面临的挑战。其中有几个重点:jpkednc

首先是电池管理系统监测。TI可以做到对400V和800V的电池系统进行监测和均衡。jpkednc

与此同时,TI非常关注电池监测过程中各项参数的精确性,以此提高系统的安全性能。“比如,当我们精确监测到电池中的电压和电流参数时,就可以为客户提供高精度的电池电化学的阻抗跟踪分析,从而准确地获得电池当前的健康状态和荷电状态。”他解释说。jpkednc

在安全标准上,TI的产品满足合乎汽车要求的ASIL-D标准。通过这个标准,可以帮助客户的工程师更方便的设计出完全符合汽车要求ASIL-D标准的车规级产品。jpkednc

BMS领域的新兴趋势

在下图的BMS典型架构下,左边的框图是电芯监测单元(CSU)。其所监测的电池组中包含了非常多的电芯,比如400V系统超过100个电芯,800V系统很可能超过200个电芯。在这样的电芯系统中,需要能够高精度监测每一个电芯电压的产品。jpkednc

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右边的框图是电池接线盒(BJB)架构。在传统的电池接线盒中通常有很多引线、接线、接口连接到BMU(电池管理单元)。那么,想要通过BMU单元对电池的高压,包括电池盒内部的参数进行测量,就会需要很多的线束。但智能接线盒的方案,则可以把电池包的高精度电流监测系统、诊断系统以及通信模块的功能都集成到专门用于智能电池盒的芯片产品中,这就免去了繁杂的线束。jpkednc

在接线盒和CSU之间,传统架构会有很多连线传输电池采集的信息,这使得连线非常多。TI的整套方案可以支持只有两根线的菊花链通信,通过菊花链通信就可以非常方便地把电芯里面的各种信息通过两根线传输到电池管理单元,所以整个通信系统可以降低很多线束的数量。同时,TI支持通过无线通信的方式来实现电池监测的信息传输,这有利于进一步降低线束数量,给予终端用户更多选择。jpkednc

他并指出,TI在整个电池包的系统层面,有全方位的整套系统方案可以解决客户的问题。虽然此次发布的是电芯监测芯片以及电池包的监测芯片,但除此之外,TI也有非常完整的其他方案,比如预充驱动器、固态继电器、隔离式电源、无线控制器和其他相关电芯电池方案。jpkednc

精度影响着电动汽车续航里程

此次,TI推出了高精度电芯监测器BQ79718-Q1,它是能够实现非常高精度的电压测量监测器产品,可以非常好地预估电动汽车真实的续航里程。同时,因为它能够实现非常高的精度,这使得电池包充放电的可靠性和安全性非常高,在满足ASIL要求的同时可以更好地降低对电动汽车剩余行驶里程的评估误差。jpkednc

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BQ79718-Q1的异常检测精度可以高达1mV的数量级。这意味着这种产品可以适用于不同化学成分的电池,包括主流的磷酸铁锂等化学成份电池。这使得电动汽车在里程计算方面可以达到更高的精度。jpkednc

另外,这款产品完全符合功能安全的要求,能够很好的汇报功能安全具体的参数。这意味着这个产品可以随时把电池当前可能的各种各样的跟安全相关的,或者其他一些具体的参数准确地汇报到整个系统。这就使得用户可以非常好地了解到电池当前比较精确的健康状态,来精确评估剩余的行驶里程。jpkednc

实现智能电池接线盒架构

BQ79718-Q1电芯监测器主要是用于测量电压。在接线盒里的BQ79731-Q1电池包监测器则主要是用于测量电流。jpkednc

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在电压和电流的测量期间,有一个非常好的同步功能,它们同步的时延非常小,只有128ms的时间,这使得我们能够非常准确地计算电动汽车当前的参数。这些准确的参数使得整个系统可以更好地评估汽车后续能够行驶的里程数量。举个例子,以一个比较典型的车辆状态来看,假设一辆车剩余里程300km,目前主流的电池方案是镍钴锰锂电池,现在很多的应用逐渐转向磷酸铁锂电池技术。jpkednc

案例分析

下面以这两个技术为例来看一下新产品是如何提高续航里程计算精度的。jpkednc

对于镍钴锰锂电池的方案,它的放电曲线相对比较陡一些。这种情况下,如果基于10mV精度的计算,可能会导致9.7km左右的里程误差。当我们把开路电压(OCV)计算精度提升到1mV数量级时,换算到里程精度计算上,就可以达到仅仅只有0.8km的里程误差。“这意味着通过我们技术的提升,假设把精度从10mV提升到1mV以后,在这种情况下,对剩余里程计算精度就可以提高8.9km。”王世斌表示。jpkednc

对于磷酸铁锂电池来说,这一改进的变化就非常大了。因为磷酸铁锂整个放电曲线电压斜率比较小,所以如果有10mV误差的情况下,整个对应的里程误差就会达到125.5km。如果把电压误差值降到1mV,这时候里程误差一下子就降到只有24.1km。把整个误差缩小了101.4km,这意味着车辆计算剩余里程时的不确定性整整降低了101.4km。jpkednc

TI也非常注重提高整个车辆安全的等级,也就是车规要求的ASIL的精度。对所有参数的检测,TI有主要的检测通路,同时还有冗余通路,两者同时对一个参数进行检测。“当主通路和冗余通路产生一个误差值,并且该误差值大于一定的参数时,我们就认为这个检测是有问题的。监测器就会把这个问题作为一种异常的状态立刻汇报给处理器。如果我们发现这两个参数检测值没有差异,或者差异小于一定的范围时,我们的监测器就不会汇报。这样的机制可以确保电芯状态出现异常的时候得到及时汇报。”王世斌表示。jpkednc

另外一个产品是能够实现智能接线盒的BQ79731-Q1电池包监测器。“我们需要对智能电池包进行非常高精度的电流参数的监测,并满足客户对电压、电流同步测量的需求。电池包里的产品和现有的一些电芯监测器产品可以配套使用,它们互相配合可以满足很高的电流电压同步测量的要求,以达到预期的测量效果。因为更小的同步延时可以更准确的去评估电池包的荷电状态并做到更精确的评估。”王世斌谈到。jpkednc

总结

最后,他总结说,凭借TI BMS的技术,相信这些产品可以使得整个电动汽车的未来路线获得更好的提升。TI非常注重安全性,这可以使得车辆行驶更长的里程并提升电动汽车使用的效率和未来发展的普及率。TI希望随着产品不断的提升,能够在电动汽车上实现更好的应用,为整个电动汽车产业的发展做出更大的贡献。jpkednc

责编:Franklin
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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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