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導語
全球電動和混合動力電動汽車 (EV/HEV) 市場在持續(xù)高速成長，而車載動力電池續(xù)航里程短、充電時間長等技術痛點亟待解決。
本文在分析 EV/HEV 電池管理系統(tǒng) (BMS) 設計需求基礎上，介紹了如何使用新型電池組監(jiān)控 IC 方案打造高效高可靠 BMS，應對 EV/HEV 面臨的挑戰(zhàn)。
應對 EV/HEV 面臨的挑戰(zhàn)，從 BMS 電池監(jiān)控 IC 開始！
最近幾年，電動和混合動力電動汽車 (EV/HEV) 的銷量持續(xù)飆升。
Yole Développement 在其 “POWER ELECTRONICS FOR EV/HEV 2018” 報告中預測，2017-2023年，電動汽車/混合動力汽車的銷量將以28%的復合年增長率保持增長。
?? 2017年，人們購買了120萬輛電池電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV)，與2016年相比增長了52%。
?? 到了2020年，全球電動/混合動力電動汽車的數(shù)量將達到1000萬輛。
?? 從區(qū)域角度看，亞太地區(qū)電動汽車的需求高漲，中國、印度、韓國和日本領銜電動汽車市場的增長。
中國 EV/HEV發(fā)展狀況
2018年以來，中國汽車大市場雖然出現(xiàn)整體下滑的趨勢，但在政府對新能源汽車的大力支持下，新能源汽車行業(yè)迎來了高速發(fā)展時期，并以全球新能源乘用車銷量占比63%的絕對優(yōu)勢，成為了全球新能源汽車的第一大市場。
根據(jù)工信部網(wǎng)站最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，今年1-7月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成70.1萬輛和69.9萬輛，同比分別增長39.1%和40.9%。
其中：
?? 純電動汽車產(chǎn)銷分別完成55.8萬輛和55.1萬輛，同比分別增長46.3%和47.8%；
?? 插電式混合動力汽車產(chǎn)銷分別為14.1萬輛和14.6萬輛，同比分別增長15.6%和18.9%；
?? 燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1176輛和1106輛，比上年同期分別增長8.8倍和10.1倍。
新能源汽車銷量的增長，不僅對車用鋰離子電池市場產(chǎn)生積極影響，與之密切相關的電池管理系統(tǒng) (BMS)、充電基礎設施等相關產(chǎn)業(yè)均迎來了發(fā)展的利好。
據(jù) Strategy Analytics 預測，隨著 EV/HEV 平臺在全球汽車制造業(yè)中的比重越來越大，到2026年，對功率器件的需求將占 EV/HEV 動力總成半導體器件需求的55%以上。因巨大的新能源汽車的保有量，無論是一級市場還是二級市場，BMS 在中國市場都有很大的市場機會。
圖1 2016-2019年中國新能源汽車銷量及同比變化情況 (圖片來源：工信部官方網(wǎng)站)
EV/HEV 市場面臨的挑戰(zhàn)
自20世紀90年代第一批量產(chǎn)車型上市以來，EV/HEV 市場一直在迅速發(fā)展。
市場的發(fā)展主要受兩個關鍵因素的推動：
?? 一是增加車輛行駛里程；
?? 二是縮短電池的充電時間。
我們常常聽到這樣的消息，車企宣稱的電動汽車的超長續(xù)航與真實的車況總是存在著很大偏差。另外，在使用便利性上電動汽車也比不上燃油車，充電難、充電慢等問題，嚴重影響了消費者的使用體驗。加之近年來電動車頻發(fā)的自燃事件和基礎設施不夠完善等問題，阻礙了新能源車市場的拓展。
要解決上述問題，與 EV/HEV 續(xù)航時間密切相關的電池管理系統(tǒng) (BMS) 的重要性日益凸顯。而在提升 BMS 性能和可靠性方面，電池組監(jiān)控是極為重要的一環(huán)，也是半導體廠商市場角力的重點。
目前介入該領域的半導體企業(yè)越來越多，產(chǎn)品的更新迭代速度不斷加快。以 TI、ADI 公司為例，近幾年來，先后推出了一系列滿足 EV/HEV 需求的 BMS 產(chǎn)品和解決方案。
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ADI LTC6813-1
18節(jié)串聯(lián)電池的電壓組監(jiān)視器
LTC6813-1 是 ADI 公司推出的一款多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，最多可測量18節(jié)串聯(lián)電池的電壓，并具有小于 2.2mV 的總測量誤差。所有18節(jié)電池能在 290μs 之內(nèi)完成測量，并且可以選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實現(xiàn)更高的噪聲抑制。綜合各項參數(shù)，LTC6813-1 應該是 EV/HEV、電池冗余系統(tǒng)、高功率電池系統(tǒng)的理想選擇。
圖2 LTC 6813-1 方框圖
LTC6813-1 器件可采用菊花鏈方式串聯(lián)起來，用來實現(xiàn)對一長串高電壓電池串的監(jiān)視。每個 LTC6813 都配有一個 isoSPI 接口 (圖2)，用于實現(xiàn)高速、具有抗射頻干擾能力的遠程通信。
圖3為 LTC6813-1 的應用原理圖，可作為設計時的參考。當 LTC6813-1 采用菊花鏈式連接時，所有器件均需與一個主處理器連接。而這種菊花鏈是可以雙向操作的 (可逆的)，即使在通信路徑發(fā)生故障的情況下也能確保通信的完整性。
圖3 LTC6813-1 應用原理圖
圖4為超過18節(jié)電池時的 LTC6813-1 BMS 連接示意圖，此時需將多個 LTC6813-1 BMS 板連接在一起。在這里，多個相同的 PCB (每個 PCB 包含一個 LTC6813-1) 的連接為菊花鏈形式，微處理器在單獨的 PCB 板上。為了在微處理器 PCB 與 LTC6813-1 PCB 之間實現(xiàn)2線隔離，可使用 LTC6820 器件。
圖4 LTC6813-1 可逆 isoSPI 菊花鏈連接圖
有關 LTC6813-1 的設計資源及詳細參考資料，可通過 ADI 官網(wǎng)獲取。
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TI BQ76940
3至15節(jié)串聯(lián)鋰離子和鋰磷酸鹽電池控制器
BQ76940 是一款多體電池監(jiān)控產(chǎn)品，與眾不同之處在于它所具有的極高靈活性。
例如，如果電動工具公司想在使用 18V 電池組的吹葉機中使用電池管理系統(tǒng)，那么該公司將必須投入時間和金錢讓工程師團隊設計出能與吹葉機配合工作的 18V 電池組。
如果該公司隨后又想生產(chǎn) 36V 電池組的割草機，他們就必須重新為電池組系統(tǒng)設計并編程全新的接口，所消耗的時間和精力與設計吹葉機的電池組相同。
而一旦采用 BQ76940 監(jiān)控器，由于接口設計完全相同，因此，無論是 18V、36V 還是任何其它值，工程師都可使用相同的編程讓電池管理系統(tǒng)與微處理器或微控制器對話，不僅可節(jié)省大量時間、精力和成本，同時還可加速產(chǎn)品上市的進程。
那么 TI BQ76940 具體能做什么呢?
答案是它能進行電池測量，從而獲得電池組內(nèi)部提供的所有數(shù)據(jù)，例如電池電壓、電流和溫度，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可由微控制器做進一步處理的有用信息，最終讓設備知道電池還有多少剩余電量，并通過確保電池不會過度充電或電量過低為設備提供保護。
TI BQ76940 的最終目的是讓設備中的電池更安全、更可靠、持續(xù)穩(wěn)定地工作。BQ76940 在設計時充分考慮了低功耗要求，可通過使能/禁用 IC 中的子模塊來控制整個芯片的電流消耗。
電動自行車、摩托車和高爾夫球車，以及在中國十分普及的電動自行車等都可以使用這款電池管理系統(tǒng)。此外，廣泛的工業(yè)領域，從醫(yī)療應用到地震監(jiān)測，再到叉車以及其他相關設備，只要通過電池來運行，就有可能采用這款電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)更準確的電量監(jiān)測、升級的保護措施。
圖5為12至15節(jié)鋰離子和磷酸鹽電池管理系統(tǒng)方框圖，電池可在 36V 至 50V 的范圍內(nèi)運行。
圖5 12至15節(jié)鋰離子和磷酸鹽電池管理
系統(tǒng)方框圖
嚴格來說，BQ76940 不是一個專為 EV 和 HEV 應用而推出的 BMS 產(chǎn)品，它的很多應用主要在電動工具、電動自行車、電動摩托車和高爾夫球車等場合，產(chǎn)品應用非常廣。
今年，TI 已經(jīng)推出了全新的面向 EV 和 HEV 的 BMS 新品 BQ76960，產(chǎn)品針對 EV 和 HEV 的應用做了進一步的優(yōu)化，同時也豐富了 BQ769x0 家族的產(chǎn)品線。
本 文 小 結(jié)
全球低碳減排的大趨勢，推動著 EV 和 HEV 等新能源車市場的高速發(fā)展，而與傳統(tǒng)的燃油車輛相比，EV 和 HEV 在動力電池可靠性和續(xù)航等方面仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。新型電池組監(jiān)控方案的出現(xiàn)，是應對這一挑戰(zhàn)關鍵的一環(huán)，也是打造高效高可靠 BMS 的起點。
設計小貼士
1. 為了便于設計人員快速選擇更適合的產(chǎn)品，表1 給出了文中提及的兩款 BMS 電池監(jiān)控 IC 產(chǎn)品的主要參數(shù)，供設計選型時參考。
表1 LTC6813-1、BQ76940 主要參數(shù)
產(chǎn)品
LTC6813-1
BQ76940
支持電池串數(shù)(最大)
18
15
接口
SPI
I2C
電池化學
多化學
多化學
故障保護
—
過流，過/欠壓，短路
封裝
64-LQFP 裸露封裝
44-TSSOP
主要應用
EV/HEV 電池管理
電動自行車/摩托車/高爾夫球車/電動工具等鋰離子和磷酸鹽電池控制器AFE
2. 為了幫助設計人員快速啟動系統(tǒng)設計，ADI、TI 還提供了文中提及電池監(jiān)控 IC 相關的評估套件。
可發(fā)者可以通過 Digi-Key 的官網(wǎng)了解或獲取這些評估套件，詳見以下鏈接 (長按復制鏈接至瀏覽器查看)：
ADI - MPN
DC2350A-B
https://www.digikey.cn/products/zh?WT.z_header=search_go&keywords=DC2350A-B
TI - MPN
BQ76940EVM
https://www.digikey.cn/product-detail/zh/texas-instruments/BQ76940EVM/296-37862-ND/4878486
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