【導(dǎo)讀】電池管理系統(tǒng) (BMS) 正悄然改變著電動(dòng)交通工具。今年年初，意法半導(dǎo)體發(fā)布了L9963E電池監(jiān)測(cè)保護(hù)芯片，旨在解決全球包括中國(guó)新能源汽車共同面臨的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)難題。新產(chǎn)品采用一個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，能夠測(cè)量4到14個(gè)串聯(lián)電池單體，樣本信號(hào)之間解除同步?jīng)]有任何延遲，測(cè)試結(jié)果證明，雖然可以菊鏈?zhǔn)竭B接 31個(gè)L9963E，但是整鏈延遲仍然不到 4 μs。
然而，L9963E 遠(yuǎn)不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓測(cè)量器或典型的庫(kù)侖計(jì)算器，因此，我們還發(fā)布了一份白皮書深入探討 BMS 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，為了進(jìn)一步幫助工程師和決策者設(shè)計(jì)BMS，我們還想探討一下在開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)時(shí)必須考慮的五個(gè)事項(xiàng)。
為什么要用電池管理系統(tǒng)？
BMS 測(cè)量電池單體的電流和電壓，并將信息發(fā)送給荷電狀態(tài) SOC應(yīng)用系統(tǒng)，確定電池的運(yùn)行狀態(tài)。在使用一段時(shí)間后，電池實(shí)際最大容量會(huì)降低。BMS的測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算電池的實(shí)際最大容量，幫助系統(tǒng)確定電池的健康狀態(tài) (SOH) 和剩余使用壽命 (RUL)，估算電池是否仍然在正常工作或者是否需要更換，并可以啟用附加的電池優(yōu)化功能。通過(guò)確定每個(gè)電池單體的 SOC 和 SOH狀況，BMS 可以均衡電池單體的充放電操作，確保所有電池單體損耗均勻一致，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命并得到更高性能。現(xiàn)在，L9963E 還在確保電池安全運(yùn)行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
1.注意測(cè)量的準(zhǔn)確度和速度
理解準(zhǔn)確度
電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池包
一直以來(lái)，工程師首先關(guān)注的是 BMS 的測(cè)量準(zhǔn)確度。如果系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，缺乏有價(jià)值的信息，用戶將會(huì)有巨大的挫敗感。因此，在BMS 測(cè)量每個(gè)電池單體的狀態(tài)時(shí)，準(zhǔn)確度必須非常高，而且速度也必須非常快，否則，當(dāng)芯片讀完電池組的最后一個(gè)單體時(shí)，第一個(gè)單體的報(bào)告測(cè)量值已經(jīng)不再準(zhǔn)確，應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)法提供真實(shí)反映電池荷電狀態(tài)的結(jié)果。
最大誤差±2 mV
L9963E 的電壓測(cè)量準(zhǔn)確度非常高，最大誤差為 ±2 mV，同時(shí)還能測(cè)量電流，了解每個(gè)電池單體的實(shí)際容量。此外，該產(chǎn)品的架構(gòu)確保每個(gè)電池單體都有專門的資源用于處理芯片監(jiān)測(cè)到的電數(shù)據(jù)，而市面同類產(chǎn)品通常在電池單體之間共享數(shù)據(jù)處理資源。通過(guò)為每個(gè)單體提供專用處理資源，我們可以提供同步讀數(shù)，并可以避免因解除同步而引起的延遲。在菊鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，L9963E 還可以通過(guò)串行總線通信，帶寬達(dá)到2.66 Mbps，而業(yè)內(nèi)帶寬大多數(shù)都徘徊在 1 Mbps 左右。因此，讀取和處理 434 個(gè)電池單體需要 4 毫秒到 16 毫秒。
2. 電池管理系統(tǒng)：注意安全性，這是重中之重
了解安全性
BMS 安全性往往會(huì)被很多設(shè)計(jì)人員所忽視。BMS系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度有助于提高電池性能，還可以確定在電池上是否存在過(guò)壓和欠壓，或者是否出現(xiàn)過(guò)熱或過(guò)流。如，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，電動(dòng)汽車必須能夠判斷電池參數(shù)不在正常安全值內(nèi)，并立即啟動(dòng)電池關(guān)閉程序，否則會(huì)造成災(zāi)難性損失。
獨(dú)特冗余
這些功能要求芯片具有很高的魯棒性，即使在惡劣環(huán)境下仍能正常工作。防止讀數(shù)錯(cuò)誤也很重要，在汽車高速巡航時(shí)，讀數(shù)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致電池包關(guān)閉，這是非常危險(xiǎn)的。L9963E 具有獨(dú)特的冗余功能，能夠交叉檢查模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，確保轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。如果當(dāng)前ADC發(fā)生異常，L9963E可以強(qiáng)制相鄰的 ADC 接管異常ADC 并排除故障。
3.注重性價(jià)比
EVAL-L9963E-MCU
隨著電動(dòng)汽車變得越便宜，成本制約因素變得越重要。功能強(qiáng)大但價(jià)格太高的芯片會(huì)失去大部分吸引力。與眾不同的是，L9963E提供豐富的功能，但是沒(méi)有增加裸片尺寸，繼續(xù)保持成本效益。此外，傳統(tǒng)的 BMS芯片要求每個(gè)電池單體必須并聯(lián)一個(gè)外部齊納二極管。在組裝過(guò)程中，系統(tǒng)無(wú)法知道哪個(gè)電池單體第一個(gè)接觸連接器，而且，這始終是一個(gè)隨機(jī)事件，因此，每個(gè)電池單體上的齊納二極管都要保護(hù)電池管理芯片。L9963E采用熱插拔和穩(wěn)健架構(gòu)，工程師可以不用這些齊納二極管，從而簡(jiǎn)化了印刷電路板布局，降低了總體成本。
4. 兩塊評(píng)估板配合一個(gè)強(qiáng)大的 MCU，不僅可以開(kāi)發(fā)原型，還能擴(kuò)大視野
了解生態(tài)系統(tǒng)
成功的電池管理系統(tǒng)始于簡(jiǎn)易的概念驗(yàn)證。ST 為 L9963E 提供兩塊評(píng)估板。第一塊評(píng)估板EVAL-L9963E-MCU包括一個(gè)微控制器，并帶有圖形用戶界面軟件STSW-L9963E，可幫助開(kāi)發(fā)人員更快地創(chuàng)建應(yīng)用。第二塊評(píng)估板EVAL-L9963E-NDS插接在第一塊板子上，可以菊花鏈連接多個(gè)L9963E評(píng)估板。
L9963E 與 SPC58 Chorus配合使用
EVAL-L9963E-NDS
有許多客戶都喜歡將 L9963E 與 SPC58 Chorus MCU搭配使用，因?yàn)閼?yīng)用需要保存 BMS系統(tǒng)輸出的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，這款微控制器具有6 MB 或更高的存儲(chǔ)空間，可以滿足該應(yīng)用的全部存儲(chǔ)需求，多核架構(gòu)使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)ｉT指定一個(gè)核心處理電池管理任務(wù)，把其他核心分配給其他常見(jiàn)應(yīng)用。這款MCU還有很多外設(shè)接口，包括6條FlexCAN總線，讓整個(gè)設(shè)計(jì)更加靈活。
5.電池管理系統(tǒng)：關(guān)注未來(lái)，著眼現(xiàn)在
所有工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)都力圖著眼于未來(lái)，但是，對(duì)于電池管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不僅要考慮到明天的汽車，還要考慮到目前正在使用 BMS 的所有新產(chǎn)品，如，電動(dòng)自行車和踏板車，或便攜式醫(yī)療設(shè)備等。L9963E 的應(yīng)用靈活性較高，除傳統(tǒng)電動(dòng)汽車外，還適用于其他的很多設(shè)計(jì)。最少能夠測(cè)量四個(gè)電池單體，10 毫米 x 10 毫米 TQFP64EP 小封裝，以及成本效益，這些優(yōu)點(diǎn)讓一家企業(yè)可以使用相同的 ST 器件輕松開(kāi)發(fā)各種類型的車輛或應(yīng)用，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。
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