進階的電動兩輪車：更低成本，更高性能的BMS解決方案

作者：Jayden Li

電動兩輪車作為國內主要的中短途代步工具，截止到2020年，中國市場的保有量已經超過3億輛。這是一個非常龐大的市場，可以說幾乎每家每戶都有一輛電動兩輪車。針對這樣一個市場巨大的應用，本文將對TI的典型BMS解決方案進行介紹。

雖然鋰電池相比鉛酸電池具有更高的能量密度和性價比，并且在新國標的驅動下將成為電動兩輪車的主流，但不可忽視的是鋰電池相比鉛酸電池而言，危險性更高，若不謹慎對待，很容易發生失火，爆炸等危險，因此這也對BMS解決方案提出了更高的要求。

面對由鋰電池組提供動力的電動兩輪車應用，TI提供了有競爭力的BMS解決方案。按照電池串數，我們可以將電動兩輪車大致分為電動自行車（≤16S） 和電摩（》16S）兩類。

　　電動自行車

電動自行車通常為16S及其以下的電池包。以16S電動自行車電池包為例，下圖是一個典型的基于TI產品的BMS解決方案。關鍵器件采用了TI的最新產品，具有更低成本的同時具備更高的性能，幫助大家實現更優的BMS設計。

寬輸出范圍直流變換器輸出特性

從結構上看，我們可以大致分為5個部分：

·電池監控與保護

·電池管理與控制

·充放電功率通路

·通信與傳感

·輔助電源

下面針對各個部分的關鍵器件進行介紹：

　　電池監控與保護

該部分主要包括模擬前端和二次保護芯片。該部分主要是對每一節電池進行監控和保護，防止電池超出安全工作區，引發危險。

·模擬前端：BQ76952

BQ76952是TI最新一代的高串數模擬前端，它支持3-16串的應用。同系列的產品還有BQ76942和BQ769142，分別支持3-10串和3-14串的應用，使用者可按照實際需要進行選擇。BQ769x2集成了過壓，欠壓，過溫，過流，短路等應對各種故障情況下的一次保護。支持I2C、SPI、HDQ等多種通訊方式。集成了內部電池均衡，同時也支持外部均衡。此外BQ769x2還支持亂序上電，極大節省了產線裝配時間及其成本。而集成的高邊驅動，相比上一代產品BQ769x0，對于高邊保護的應用，可以節省一顆驅動IC—BQ76200。并且BQ76952不僅可以和MCU搭配使用，也可以脫離MCU，獨立運行，適用于低成本的應用場合。

·二次保護：BQ77216

為了避免因為模擬前端故障，導致電池包處于沒有保護的危險境地，通常還會有二次保護，在發生嚴重故障并且一次保護沒有動作時，二次保護啟動，熔斷保險絲，避免危險發生。

BQ77216是TI最新的針對電動兩輪車應用所開發的二次保護芯片，也是筆者所知目前為止市面上第一款且唯一一款支持16串的二次保護芯片。以往的方案都是采用若干顆5S的二段保護IC， 如BQ7718加上一些外圍的邏輯以及阻容進行級聯使用。單芯片的方案不僅節省了成本，而且簡化了設計與布板的難度，提高了PCB的利用率，同時可靠性也得到了加強。BQ77216有多種配置可選，使用者可以按照實際需要選擇合適的型號，若沒有符合的型號，可以聯系對應的技術支持進行定制。

　　電池管理與控制

該部分主要包括電量計和微控制器。對于一些低端產品，通常會選用電壓查表法來進行電量的計算，這樣的方法雖然簡單，但精度不高。而對于中高端的產品，通常還需要電量計提供更加精確的電量計算與顯示。并且大部分場合需要配合MCU進行工作，實現對電池的補充管理和對外的信息交互。

·電量計：BQ34Z100

BQ34Z100是獨立于電池節串聯配置之外工作的電量計解決方案。它通過一個外部電壓轉換電路，可支持3V至65V的電池，可對此電路進行自動控制以減少系統功耗。BQ34Z100器件提供幾個接口選項，其中包括一個I2C從接口、一個HDQ從接口、一個或者四個直接LED接口、和一個警報輸出引腳。此外，BQ34Z100提供對于外部端口擴展器（支持多于四個LED）的支持。

·處理器：MSP430FR2155DBT

MSP430FR215x微控制器（MCU）均屬于MSP430

MCU 超值系列超低功耗低成本器件產品系列將獨特的嵌入式 FRAM 和整體超低功耗系統架構相結合，從而在保證性能的同時降低能耗。適合用于電池供電場合，節省電量，延長續航。

充放電功率通路

充放電功率管按照電壓電流等實際需要進行選取即可，本文不做贅述。

通信與傳感

該部分主要包括CAN通信收發器和熱敏電阻。

·CAN通信收發器：TCAN1042HV

這款CAN收發器系列符合ISO1189-2 （2016） 高速CAN（控制器局域網絡）物理層標準。所有器件均設計用于數據速率高達2Mbps（兆位每秒）的CAN FD網絡。配有用于I/O電平轉換的輔助電源輸入（用于設置輸入引腳閾值和 RXD 輸出電平）。該系列具備低功耗待機模式及遠程喚醒請求特性。此外，所有器件均包含許多保護功能，以提高器件和CAN的穩定性。

·熱敏電阻：TMP61

TMP61 線性熱敏電阻可在整個溫度范圍內提供線性度和始終如一的靈敏度，支持使用簡單而準確的方法進行溫度轉換。器件的低功耗和較小的熱質量可最大限度地減小自發熱的影響。這些器件具有內置的高溫失效防護性能以及對環境變化的強大抵抗力，設計用于長壽命的高性能應用。TMP6系列器件的小巧外形還允許靠近熱源放置，并具有快速響應時間。

與 NTC 熱敏電阻相比，它具有以下優點：無需額外的線性化電路、校準最小化、電阻容差變化更小、高溫下靈敏度更高，以及可節省處理器時間和內存的簡化轉換方法。

輔助電源

BQ769x2集成了兩個輸出可配置的LDO。但是對于高壓大電流的應用，考慮到高壓差引起的散熱問題，仍然需要使用一顆高效率的DC-DC電源芯片，將電池高壓轉換為一個相對低壓，如5V，再通過一顆LDO將DC-DC的輸出轉換為低噪聲的電源軌給MCU供電。

·DC-DC：LM5164

因為是電池應用，為了最大限度地延長電池使用時長，所以對芯片的靜態功耗要求較高。LM5164空載靜態電流極低，僅為10.5uA，可以最大限度節省電池電量，延長續航。并且LM5164最大支持100V的輸入電壓，為16串的應用提供安全的耐壓。采用的COT模式控制架構，具備更快的瞬態響應速度。

·LDO：TLV70433

TLV704系列LDO具有極低的靜態電流，僅為3.2uA。并且在全溫度以及全負載范圍內，靜態功耗也基本是恒定的，是低功耗微控制器，如MSP430，理想的供電電源。

電摩

電摩的方案與電動自行車的方案基本類似。電摩和電動自行車的主要區別是電摩的串數通常在16串以上，常見的有17串，20串和24串。因為串數的增加，電動自行車的方案中所采用的單顆BQ76952就不能滿足需求。這就需要將兩顆BQ769x2進行級聯使用，同樣的BQ77216也需要進行級聯使用。并且級聯使用后還需要用到一顆隔離I2C進行兩顆BQ769x2之間的隔離通信。

·隔離I2C：ISO1640

ISO164x系列是TI最新的I2C隔離器，具備更高的性價比。它支持熱插拔，低功耗的雙向I2C隔離器。滿足UL 1577標準，通過了UL，CSA，CQC，VDE，TUV認證，支持1.7MHz雙向傳輸速率。