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如何設計適用于高級電動汽車電池管理系統的智能電池接線盒
前言：
作者：Issac Hsu，德州儀器（TI）電池管理系統產品市場經理
隨著電動汽車 (EV) 日益流行，如何在反映真實續航里程的同時讓汽車更加經濟實惠，成為汽車制造商面臨的挑戰之一。首先，這意味著需要降低電池包成本并提高其能量密度。電芯中存儲和消耗的每瓦時能量都對延長續航里程至關重要。
電池管理系統 (BMS) 的主要功能是監測電芯電壓、電池包電壓和電池包電流。此外，鑒于 BMS 的高電壓設計，需要測量高壓域和低壓域之間的絕緣電阻，從而捕捉電池結構中的缺陷并防止危險狀況發生。
圖 1：傳統的 BMS 架構 (a)；具有智能電池接線盒 (BJB) 的 BMS 架構 (b)
圖 1 展示了典型的 BMS 架構，其中包括電池管理單元 (BMU)、電芯監控單元 (CMU) 和電池接線盒 (BJB)。BMU 通常包含一個微控制器 (MCU)，用來管理電池包中的所有功能。傳統電池接線盒是具有電源接觸器的繼電器箱或開關箱，用于將整個電池包與負載逆變器、電機或電池充電器連接。
圖 1a 顯示的是傳統 BMS。接線盒內部沒有有源電子產品，電池接線盒中所有的測量都在電池管理單元進行。電池接線盒通過線纜連接到模數轉換器 (ADC) 端子。
圖 1b 顯示的是智能電池接線盒。接線盒內部具有專用的電池包監測器，可以測量所有電壓和電流，并通過簡單的雙絞線通信將信息傳遞給 MCU。這有助于消除布線和線束，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 展示了啟用BQ79731-Q1的電池包監測器在電池接線盒內所測量的不同高電壓、電流和溫度。
圖 2：電池接線盒內部的高電壓測量
• 電壓：高電壓測量使用分壓電阻器串來實現。此類電壓測量可監測系統中高電壓元件的運行狀態。
• 溫度：溫度測量監測分流電阻器的溫度，以便 MCU 可以應用補償，此外，接觸器的溫度也在監測下，以確保其承受的應力不超出正常運行條件。
• 電流：電流測量基于下列兩種器件之一：
• 分流電阻器 - 由于電動汽車中的電流可以高達數千安，因此分流電阻值要非常小，為 25µOhms 至 50µOhms；
• 霍爾效應傳感器 - 用于測量高電壓軌上仍處于隔離狀態的電動汽車電流。通常情況下，其動態范圍有限，因此，系統中可能會使用多個傳感器來測量整個范圍。
過流故障檢測和保護
為了防止在短路、高壓端子裸露或設備故障的情況下對電池包造成重大損壞，必須在 BMS 中檢測并預防過流事件。集成在電池接線盒單元中的過流電路將使用通過測量分流電阻器或霍爾效應傳感器和電池包監測器的電流，然后對該測量值進行處理，并將其與電池包監測器內的閾值進行比較。它們都能夠通過專用輸出發出過流事件信號，用于啟用保險絲驅動器來熔斷高壓分離器（爆炸熔絲）。由于對信號的反應時間需要盡可能快，因此我們在電池包監測器件中部署了專用信號處理路徑提升反應速度。
電壓和電流同步
電壓和電流同步是指測量電池包監測器和電芯監測器之間進行電壓和電流采樣存在的延時時間。這些測量主要用于通過電化學阻抗跟蹤分析 (EIS) 來計算荷電狀態和運行狀態。通過測量電芯的電壓、電流和功率來計算電芯阻抗，BMS 就可以監測汽車的瞬時功率。
電芯電壓、電池包電壓和電池包電流必須實現時間同步，以便提供更準確的功率和阻抗估算。進行采樣的特定時間間隔稱為同步間隔，同步間隔越小，功率估算或阻抗估算越準確。荷電狀態估算越準確，那么駕駛員預計的剩余續航里程就越精確。
同步要求
新一代 BMS 需要將同步電壓和電流測量延遲控制在 1ms 內，但要滿足這項要求會面臨如下挑戰：
TI 的電池監測器可以通過向電芯監測器和電池包監測器發出 ADC 啟動命令來保持時間關系。這些電池監測器還支持延遲 ADC 采樣，以此補償通過菊花鏈接口傳輸 ADC 啟動命令引發的傳播延遲。
遠程器件通信支持
智能電池接線盒的另一個優勢是可通過使用多功能菊花鏈接口簡化數據通信，不僅適用于電池包和電池電芯監測器件，還適用于遠程器件（如 EEPROM 存儲器或放置在車輛不同物理位置模塊中的各類傳感器）。在這種情況下，電池包和監測器件還充當接口轉換器，提供通過菊花鏈接口傳輸的 I2C 或 SPI 數據，從而減少了布線和線束，進而降低了電動汽車的整體重量。
汽車行業的大規模電氣化發展促使需要通過在接線盒中添加電子產品來降低 BMS 復雜性，并且要提升系統安全性。電池包監測器可以在本地測量繼電器之前和之后的電壓，以及整個電池包的電流。提升電壓和電流測量的精度可以直接促進對電池的充分利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 器件可以將系統的所有必要功能集成到單個器件中，以此優化智能電池接線盒的性能，并降低其未來成本。通過有效的電壓和電流同步，可以對運行狀況狀態、荷電狀態和 EIS 進行精確計算，進而充分利用電池。
此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 電池電芯監測器系列可實現精確的電芯電壓和溫度測量，以此作為 CSU 部署的一部分，助力創建完善的 BMS 生態系統。
其他資源
• 觀看以下 TI 培訓視頻：
• 用于實現電壓和電流同步的智能電池接線盒。
• 泊車模式下的 xEV 電池包自主管理。
• 查看白皮書“實現汽車電氣化的電池管理功能安全注意事項。”
關于德州儀器(TI)
德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。欲了解更多信息，請訪問公司網站www.ti.com.cn。
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