電動汽車的電池管理系統(BMS)技術解析

電動汽車 (BEV) 和插電式混合電動汽車 (PHEV) 依靠串聯的鋰離子電池，為牽引電機提供所需的充分電壓。對于續航里程有限的輕度混合動力汽車而言，這些高電壓 (HV) 電池組的電壓范圍可以從 48V 到大約 100V，而對于續航數百公里的電動汽車，電壓范圍最高可達數百伏。下一代電動汽車和卡車將使用 800V 或更高電壓的電池組，以實現更長的續航里程而無需頻繁充電，同時能夠在幾分鐘內完成超快速充電（較高的電壓意味著充電電流較低，因此電池散熱量更少，電池也就能夠接受更多的充電功率）。由于每個電動汽車電池單元在充滿電時可以產生大約 3.7V 至 4.2V 的標稱電壓，因此一個 800V 電動汽車電池將需要大約 240 個串聯的電池單元。

高電壓(HV)電池組

出于實際考慮，最好將電動汽車的電池放在幾個獨立的電池包中，每個電池包包含 6 至 24 個電池單元。較小尺寸的電池包可以最大限度地利用不規則尺寸的電動汽車電池外殼中的可用空間，這樣的電池艙能夠適配典型的電動汽車。使用電池包還可以在選擇并聯/串聯組合時提供更多自由度，以創建適用于不同牽引電機驅動器的不同電壓/電流配置。此外，如果單個電池單元出現故障，則只會影響眾多電池包中的一個，電動汽車的電池仍然可以正常工作。

電池單元平衡

電池單元之間的電壓和能量容量存在輕微差異，因此在為電動汽車充電時，如果簡單地將所有電池單元串聯起來，會造成電池單元間的不平衡，這樣一來，有些電池單元可能已經充滿電，而其他電池單元仍需更多電充滿。電池單元如果過度充電，可能會過熱，這可能會損壞電池單元和整個電池包。最壞的情況就是電池包可能會起火。為避免這種情況，使用電池單元監控 IC 來單獨監控和控制充電（和放電）配置，確保所有電池單元在不受欠壓、過電壓或過溫條件損害的情況下充分利用其容量。在充電過程中，可以繞過那些已充滿電的單個電池單元，以便電池組中的其他電池單元可以繼續充電。這種平衡過程會一直持續，直至所有電池單元都充滿電，且電量相等。在放電過程中，同樣的平衡電路可以確保所有電池單元均等放電。

電池管理系統

電動汽車的電池包通過串聯或并聯的方式組合在一起，形成所需的電動汽車電池電壓，并通過通信總線與中央電池管理系統 (BMS) 通信，該通信總線通常是汽車行業中普遍使用的 CAN 總線。BMS 監控整體高電壓 (HV) 電池組的充電和放電情況，并計算電池組的充電狀態 (SoC) 和健康狀態 (SoH)。該系統還監控每個電池包的電流、電壓和溫度，以確保安全工作。隨著高電壓電池中電池單元數量的增加，需要收集和處理的數據量也在增加，但系統循環時間的要求保持不變。CAN 總線必須以高數據速率（高達 25 Mbps）和低傳播延遲 (100 – 50ns) 運行。

安全隔離

所有電動汽車都必須配備機械安全開關或接觸器，以便在緊急情況下斷開高電壓電池連接。如果開關與電池的高電壓輸出串聯放置，那么在故障情況下，電池組中的電池包之間可能仍會有足夠的電流流動，從而引發火災，因此通常將其放置在電池組中間。這種并不常見的布局（圖 1）最大限度地提高了整體安全性，但需要隔離通信線路來確保電流無法通過數據總線連接繞過安全開關。

圖 1: 帶有隔離數據總線的電池組

通過隔離式DC/DC轉換器提高容錯能力

大多數電池單元平衡 IC 都包含一個內部電壓穩壓器，使用電池電壓的同時為 IC 和數據通信端口的隔離側供電，而 BMS 控制器則為非隔離側供電（如圖 1 中的紅色線跡所示）。

然而，由于高電壓電池組由許多以并聯/串聯配置排列的電池包組成，使用隔離型 CAN 總線收發器單獨隔離每個電池串通信總線可以提高系統可靠性。在這種情況下，隔離型 CAN 總線側也需要隔離電源（圖 2）。

圖 2:并聯電池組的獨立隔離電源和總線連接

RECOM 提供了一款專為隔離總線收發器應用設計的隔離式 5 V 對 5 V 轉換器模塊，型號為 R05CTE05S。該模塊采用緊湊型 16 SOIC SMD 封裝，提供 1 W 的功率，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，非常適合安裝在電池艙內。隔離等級為 3 kVDC/1 min，這意味著該模塊可以輕松應對 800 V 或更高的電池組電壓，并且隨著電動汽車電池制造商不斷尋求改進其產品，可適應未來任何新的電動汽車電池技術發展。為提高系統的容錯能力，輸出提供保護措施，可以防止連續短路、過電流和過溫。欠壓鎖定功能意味著轉換器只有在電源電壓超過 3.3 V 時才會啟動，避免了 BMS 系統在啟動過程中發生數據損壞問題。

通過隔離式DC/DC轉換器節省成本

雖然市場上提供帶有內置 DC/DC 轉換器的隔離 CAN 總線收發器，但成本比非隔離式版本更昂貴，且可供選擇的供應商也較少。將數字隔離器、DC/DC 轉換器模塊和非隔離式收發器組合使用，是一種構建隔離型 CAN 總線接口更為靈活且經濟的方案（圖 3）。雖然該解決方案需要使用更多元器件，但供應商的選擇范圍更廣，總擁有成本 (TCO)也可以更低。

圖 3:"離散”隔離型 CAN 總線接口解決方案

電動汽車車主經常問的一個問題是：“電動汽車電池能用多久？”電動汽車電池管理系統最重要的功能之一是通過平衡各個電池單元的充電和放電電流、繞過缺陷電池單元，并確保插電式電動汽車的電池組不會意外過度充電或經歷十分嚴重的深度放電，從而延長電池組的使用壽命。每個電動汽車電池包中還內置了熱敏電阻，以進行適當的電池散熱管理，因為溫度過高或過低的情況同樣會嚴重影響電池壽命。然而，如果電動汽車電池與電池管理系統之間缺乏持續且可靠的通信，就無法保證電池的安全。因此，RECOM 的 RxxCTxx 系列產品中的隔離部分已經經過時間依賴性介電擊穿 (TDDB) 測試，預計絕緣壽命超過 600 年。

審核編輯：湯梓紅