驅動汽車加速電氣化 電池管理系統技術扮要角
作者 : Franklin Zhao
近年業界吹起節能減碳風，促使汽車製造商加大力道推動汽車電氣化，如何延長里程、降低車價及製造成本、提升充電效率，在在成為廠商的課題。談及解決之道，電池管理系統(BMS)技術的持續進化，扮演至關重要的角色。
為推動汽車的電氣化，新能源汽車製造商們一直在致力於充分增加行駛里程、降低電動汽車價格、提高充電速度和操作安全性。具體來說以下列幾個方向為重點：
- 更大限度地延長續航里程：通過準確地報告電池荷電狀態和運行狀況更大限度地延長續航里程。
- 改進電動汽車充電：設計支援高性能拓撲、高級功能和高階架構的更小、更高效的系統。
- 讓電動汽車更經濟實惠：各種引腳對引腳相容且符合汽車應用標準的器件，以支援不同化學成分的電池芯和車輛架構。
- 實現安全操作：通過優化的熱管理和增強的電氣安全性提高動力系統的可靠性和性能。
這其中涉及的一個關鍵，就是BMS。據了解，BMS全稱為Battery Management System，用以監測電池芯(cell)的電壓及溫度，管理功率的輸入和輸出，防止過熱、過充等現象發生，並估算充電狀態和健康狀態。在電池將成為汽車動力主要來源的未來，BMS的重要性也與日俱增。
日前，在德州儀器(TI)高壓BMS新品發表會上，TI BMS事業部總經理王世斌表示，通過在BMS方面不斷創新，TI能夠幫助汽車製造商們克服一些阻礙電動汽車普及的關鍵因素：
第一，在BMS上，TI有著豐富的電源管理經驗，並在如何縮小BMS的體積和提高性能方面持續鑽研。在電池管理支援方面，TI通過優化拓撲結構，可以做到對不同電池架構、電池數量(如12節電池、16節電池甚至最高18節電池)的相互相容。這意味著大家在設計具體系統時，在一些軟硬體方面可以實現更好的共用，亦可提升設計的效率。
第二，對電池應用來說，安全是重中之重。TI的產品通過提高電池測量精準度，包括對溫度參數、精確電流參數測量精準度的提高，優化熱管理，以提升整個電池系統的安全性能。
BMS的設計挑戰
王世斌表示，他一直致力於帶領團隊解決BMS中各種各樣所正在面臨的挑戰，其中包括幾個重點。首先是BMS監測，TI可以做到對400V和800V的電池系統進行監測和均衡，與此同時，TI非常關注電池監測過程中各項參數的精確性，以此提高系統的安全性能。
「比如，當我們精確監測到電池中的電壓和電流參數時，就可以為客戶提供高精準度的電池電化學阻抗跟蹤分析，從而準確地獲得電池當下的健康狀態和電荷狀態。」王世斌進一步解釋。另，談及安全標準上，他也指出TI的產品，滿足合乎汽車要求的ASIL-D標準，通過這個標準，可以説明客戶的工程師更方便的設計出完全符合汽車要求ASIL-D標準的車規級產品。
BMS領域的新興趨勢
在下圖的BMS典型架構下，左邊的框圖是電池芯監測單元(CSU)。其所監測的電池組中包含了非常多的電池芯，比如400V系統超過100個電池芯，800V系統很可能超過200個電池芯。在這樣的電池芯系統中，需要能夠高精度監測每一個電池芯電壓的產品。
下圖1右側方框是電池接線盒(BJB)架構。在傳統的電池接線盒中通常有很多引線、接線、介面連接到電池管理單元(BMU)。那麼，想要通過BMU單元對電池的高壓，包括電池盒內部的參數進行測量，就會需要很多的線束。但智慧接線盒的方案，則可以把電池包的高精度電流監測系統、診斷系統以及通信模組的功能都整合到專門用於智慧電池盒的晶片產品中，這就免去了繁雜的線束。
圖1：現今BMS的典型架構。 (來源：TI)
在接線盒和CSU之間，傳統架構會有很多連線傳輸電池採集的資訊，這使得連線非常多。TI的整套方案可以支持只有兩根線的菊鍊通信，通過菊鍊通信就可以非常方便地把電池芯裡面的各種資訊通過兩根線傳輸到電池管理單元，所以整個通信系統可以降低很多線束的數量。同時，TI支援通過無線通訊的方式來實現電池監測的資訊傳輸，這有利於進一步降低線束數量，給予終端使用者更多選擇。
他並指出，TI在整個電池包的系統層面，有全方位的整套系統方案可以解決客戶的問題。雖然此次發佈的是電池芯監測晶片以及電池包的監測晶片，但除此之外，TI也有非常完整的其他方案，比如預充驅動器、固態繼電器、隔離式電源、無線控制器和其他相關電池芯電池方案。
精度影響著電動汽車續航里程
此次，TI推出高精準度的電池芯監測IC BQ79718-Q1，它是能夠實現非常高精確度的電壓測量監測器產品，可以非常好地預估電動汽車真實的續航里程。同時，因為它能夠實現非常高的精確度，使電池包充放電的可靠性和安全性提升，在滿足ASIL要求的同時，可以更好地降低對電動汽車剩餘行駛里程的評估誤差。
圖2：TI今年CES發表的電池芯監控IC BQ79718-Q1，開路電壓(OCV)量測精準度誤差值為正負1mV，讓電動車電池的里程預估值更為準確。 (來源：TI)
以上圖2為例，比較鎳鈷錳鋰電池芯(NMC)和磷酸鐵鋰電池芯(LFP)的電池包，OCV量測精準度誤差值為正負10mV，一樣續航力達300英里的電池包，NMC電池包預測里程誤差值為正負6英里，LFP為正負78英里；當OCV改善到正負1mV，NMC電池包預估值縮小為正負0.5英里，LFP縮小到15英里；改善成效相當顯著。
另外，這款產品完全符合功能安全的要求，能夠很好的彙報功能安全具體的參數。這意味著這個產品可以隨時把電池當前可能的各種各樣的跟安全相關的，或者其他一些具體的參數準確地彙報到整個系統。這就使得用戶可以非常好地瞭解到電池當前比較精確的健康狀態，來精確評估剩餘的行駛里程。
另，除了用於測量電池芯監控的BQ79718-Q1，TI另外發表放在電池接線盒內的電池包監測IC BQ79731-Q1。據悉，BQ79731-Q1可用於量測電池系統中各高壓節點的電壓，包括保險絲、接觸器(contactor)，或確認電池盒系統與電池芯接點的隔離電壓(isolation voltage)。運用BQ79731-Q1測量電池包的電流，誤差值僅正負0.05%。
王世斌表示，他們需要對智慧電池包進行非常高精度的電流參數的監測，並滿足客戶對電壓、電流同步測量的需求。電池包裡的產品和現有的一些電池芯監測器產品可以配套使用，它們互相配合可以滿足很高的電流電壓同步測量的要求，以達到預期的測量效果。因為更小的同步延遲，可以更準確的去評估電池包的電荷狀態，做到更精確的評估。
BQ79731-Q1 IC使測量電池包電流的誤差降低。 (來源：TI)
案例分析
下面再以LFP及NMC為例，看一下新產品是如何提高續航里程計算精度的。對於LFP的方案，它的放電曲線相對比較陡一些。這種情況下，如果基於10mV精確度的計算，可能會導致9.7km左右的里程誤差。當我們把OCV計算精確度提升到1mV時，換算到里程精度計算上，就可以達到僅僅只有0.8km的里程誤差。
對於LFP來說，這一改進的變化就非常大了。因為磷酸鐵鋰整個放電曲線電壓斜率比較小，所以如果有10mV誤差的情況下，整個對應的里程誤差就會達到125.5km。如果把電壓誤差值降到1mV，這時候里程誤差一下子就降到只有24.1km。把整個誤差縮小了101.4km，這意味著車輛計算剩餘里程時的不確定性整整降低了101.4km。
王世斌直言，「這意味著通過我們技術的提升，假設把精確度從10mV提升到1mV以後，在這種情況下，對剩餘里程計算精度就可以提高8.9km。」另，TI也非常注重提高整個車輛安全的等級，也就是車規要求的ASIL的精度。對所有參數的檢測，TI有主要的檢測通路，同時還有冗餘通路，兩者同時對一個參數進行檢測。
當主通路和冗餘通路產生一個誤差值，並且該誤差值大於一定的參數時，王世斌指出，監測IC會認定這個檢測是有問題的，並把這個問題作為一種異常的狀態，立刻彙報給處理器，「如果我們發現這兩個參數檢測值沒有差異，或者差異小於一定的範圍時，我們的監測IC就不會彙報。這樣的機制可以確保電池芯狀態出現異常的時候得到及時彙報。」
總結
最後，他總結說，憑藉TI BMS的技術，相信這些產品可以使得整個電動汽車的未來路線獲得更好的提升。TI非常注重安全性，這可以使得車輛行駛更長的里程並提升電動汽車使用的效率和未來發展的普及率。TI希望隨著產品不斷的提升，能夠在電動汽車上實現更好的應用，為整個電動汽車產業的發展做出更大的貢獻。
本文原刊登於EDN China網站
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