如何為先進的電動汽車電池管理系統設計智能電池接線盒

隨著電動汽車 （EV） 變得越來越受歡迎，汽車制造商面臨的挑戰是在使車輛更實惠的同時反映真實的續航里程。這意味著使電池組成本更低，能量密度更高。從電池中存儲和檢索的每一瓦時對于延長行駛里程至關重要。

電池管理系統（BMS）的主要功能是監控電池電壓、電池組電壓和電池組電流。此外，由于BMS的高壓設計，需要在高壓域和低壓域之間進行絕緣電阻測量，以捕獲電池結構中的缺陷并防止危險條件。

圖 1：傳統的 BMS 架構 （a）;帶有智能電池接線盒 （BJB） 的 BMS 架構 （b）

圖1所示為典型的BMS架構，其中包含電池管理單元（BMU）、單元監控單元（CMU）和電池接線盒（BJB）。BMU通常有一個微控制器（MCU），用于管理電池組內的所有功能。傳統的BJB是繼電器盒或帶有電源接觸器的開關盒，將整個電池組連接到負載逆變器，電機或電池充電器。

圖1a顯示了傳統的BMS。接線盒內沒有有源電子設備。BJB 中的所有測量都是在 BMU 測量的。有電線將BJB連接到模數轉換器（ADC）端子。

圖 1b 顯示了智能 BJB。盒子內有一個專用的電池組監視器，用于測量所有電壓和電流，并使用簡單的雙絞線通信將信息傳遞給MCU。它有助于消除電線和電纜線束;并以更低的噪聲改進電壓和電流測量。

電壓、溫度和電流測量

圖 2 顯示了由 BQ79731-Q1 電池組監視器支持的 BJB 內部測量的電池組監視器內的不同高電壓、電流和溫度。

圖 2：BJB 內部的高壓測量

電壓：使用分壓電阻串測量高壓。這些電壓測量監測系統中高壓組件的狀態。

溫度：溫度測量值監控分流電阻器的溫度，以便MCU可以應用補償，以及接觸器的溫度，以確保它們不會受到超出正常工作條件的壓力。

電流：電流測量基于以下任一條件：

分流電阻器 - 由于電動汽車中的電流可以高達數千安培，因此分流電阻值非常小——在 25 μOhms 至 50 μOhms 的范圍內;或

霍爾效應傳感器 – 用于測量高壓軌上的 EV 電流，同時仍處于隔離狀態。其動態范圍通常有限，因此系統中可以有多個傳感器來測量整個范圍。

過流故障檢測和保護

BMS中甚至需要檢測和防止過電流，以防止在發生短路，暴露高壓端子或有缺陷的設備時對電池組造成災難性損壞。集成在BJB單元中的過流電路將使用通過分流電阻器或霍爾效應傳感器和電池組監視器測量的電流檢測信息。然后處理該測量值，并將其與電池組監視器內的閾值進行比較，而該閾值能夠通過專用輸出發出過流事件信號，該輸出將用于啟用保險絲驅動器以熔斷高壓分離器（熱解保險絲）。由于對此的反應時間需要盡可能快，因此在電池組監控器設備中實現了專用的信號處理路徑。

電壓和電流同步

電壓和電流同步是對電池組監視器和電池監視器之間的電壓和電流進行采樣的時間延遲。這些測量主要用于通過電阻抗譜（EIS）計算充電狀態和健康狀態。通過測量電池兩端的電壓、電流和功率來計算電池的阻抗，使BMS能夠監控汽車的瞬時功率。

The cell voltage, pack voltage and pack current have to be time-synchronized to provide the most accurate power and impedance estimations. Taking samples within a certain time interval is called the synchronization interval. The smaller the synchronization interval, the more accurate the power estimate or the impedance estimate. The more accurate the state-of-charge estimation, the more accurate remaining mileage drivers get.

Synchronization requirements

下一代BMS將需要在不到1 ms的時間內進行同步電壓和電流測量，但滿足這一要求存在挑戰：

TI 的電池監視器可以通過向電池監視器和電池組監視器發出 ADC 啟動命令來保持時間關系。這些電池監視器還支持延遲 ADC 采樣，以補償沿菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動命令時的傳播延遲。

遠程設備通信支持

智能BJB的另一個優點是，通過使用多功能菊花鏈接口，不僅可以用于電池組和電池監控設備，還可以使用EEPROM存儲器等遠程設備或放置在模塊中的任何類型的傳感器，從而簡化數據通信，這些傳感器在車輛中具有不同的物理位置。在這種情況下，包裝和監視器設備還充當界面轉換器，提供I2C 或 SPI 數據通過菊花鏈接口傳輸，無需電線和電纜線束，從而減輕了電動汽車的整體重量。

汽車行業正在發生的大規模電氣化工作推動了通過在接線盒中添加電子設備來降低BMS復雜性的需求，同時提高系統安全性。電池組監視器可以在本地測量繼電器前后的電壓，即通過電池組的電流。電壓和電流測量精度的提高將直接導致電池的最佳利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 通過將系統的所有必要功能集成到單個器件中，可以優化智能 BJB 的性能并降低其未來成本。有效的電壓和電流同步可實現精確的健康狀態、充電狀態和EIS計算，從而實現電池的最佳利用率。

此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池監控器系列提供精確的電池電壓和溫度測量，作為 CSU 實施的一部分，可實現完整的 BMS 生態系統。