在電動汽車當中,40%的成本來自電池,后者就像是為電動汽車提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態(tài)達到最優(yōu)?
全靠電池管理系統(tǒng)BMS(battery management system),它在電池運作系統(tǒng)中充當 “電池保姆”的角色。它處理的信號足夠豐富,包括:電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。
一次過放電就會造成電池的永久性損壞,極端情況下鋰電池過熱或者過充電會導致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以,通過BMS能準確量測電池組使用狀況,保護電池不至于過度充放電,平衡電池組中每一顆電池的電量,以及分析計算電池組的電量并轉換為可理解的續(xù)航力信息,確保動力電池安全運作。
BMS中的主要芯片包括哪些?
AFE 模塊:實現電池信息采集、狀態(tài)監(jiān)測等功能
AFE(模擬前端,Analog Front End Front End)是包含傳感器接口、模擬信號調理 (Conditioning,包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉換等)電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數據緩存以及控制邏輯等部件的存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些 AFE 還帶有 MCU、DAC 和多種驅動電路和多種驅動電路。
電池均衡模塊:提升電池續(xù)航時間和循環(huán)壽命
電池不均衡會影響電池續(xù)航時間和電池循環(huán)壽命。電池不均衡表現為多節(jié)電池串聯時各節(jié)電池電壓不相等,尤其在充電末端和放電末端時表現明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯在 一起時,串聯充電電流相同,但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓,從而表現為各節(jié) 電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同,但 SOC 不同的電池配組串聯在一起時,SOC 高的 那節(jié)電池的電壓偏高,從而表現為各節(jié)電池電壓不相等。
即使?jié)M充容量相同、SOC 相同, 但各節(jié)電池的內阻 R 不同,則在充放電時 IR 壓差不同,也會導致電池端電壓不同。此外,一些外部因素(比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡)也會導致個體電池老化速率 不同從而內阻不均衡。最終都可能表現為各節(jié)電池電壓不相等。
均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來的電量轉 移給電量最少的那節(jié)電芯,或者轉移給整串電池,實現能量回收。被動均衡是把電量最多的 那節(jié)電芯多出來的電量通過電阻發(fā)熱消耗掉。
計算單元(MCU 等):實現控制、計算等功能
MCU 作為計算平臺,需要滿足 AEC-Q100、ISO26262 等認證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統(tǒng)為例,MCU 起到繼電器控制、SOC/SOH 估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數據 收集、數據存儲等作用。相較于消費級和工業(yè)級 MCU,車規(guī)級 MCU 行業(yè)壁壘更高。
車規(guī)級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長效性要求較高,研發(fā)難度較大:汽車行駛的外部溫差較大,對芯片的寬溫控制性能有較高要求;在產品壽命方面,整車設計壽命通常在 15 年及以上,遠高于消費電子產品的壽命需求;在失效率方面,整車 廠對車規(guī)級半導體的要求通常是零失效;在安全性方面,汽車電子的高功能安全標準給復雜 性日益增長的電子系統(tǒng)量產化 提供了足夠的安全保障。車規(guī)級半導體的供應周期需要覆蓋 整車的全生命周期,供應需要可靠、一致且穩(wěn)定,對企業(yè)供應鏈配臵和管理方面提出了較高要求。
隔離電路:實現高低壓模塊間電氣隔離
隔離器件實現高低壓模塊間的電氣隔離,技術路線包括光耦隔離和數字隔離。隔離器件是可 以將輸入信號進行轉換并輸出,以實現輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離 能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸的安全性,如果沒有進行電氣隔離,一旦發(fā)生故 障,強電電路的電流將直接流到弱電電路,對電路及設備造成損害。
另外,電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環(huán)路,可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播,讓電子系統(tǒng)具有更高的 安全性和可靠性。高電壓(強電)和低電壓(弱電)之間信號傳輸的設備大都需要進行電氣 隔離并通過安規(guī)認證。廣泛應用于信息通訊、電力電表、工業(yè)控制、電動汽車等各個領域。