通过电池管理系统设计提升电动汽车性能

汽车设计人员面临的挑战是实现电池管理系统，以确保安全和长电池寿命，而无需复杂的电路。

倒计时已经开始：自动驾驶、电动、互联汽车将在未来几年彻底改变整个汽车行业——这一变化远远超出了网络访问或方向盘和踏板的消失。自动驾驶联网汽车将带我们进入一个更高效、更经济、更清洁、更环保的新交通时代，锂离子（Li-ion）电池和电池管理系统将成为电动汽车（e-mobility）的关键。

据专家介绍，这些系统将在未来几年改变我们的出行方式，重新设计移动、智能城市和互动社区的未来。对联网汽车（也许是高速5G网络）的日益关注已经加速，因为它们将主要是电动的。

向电动、互联和自动驾驶车辆演进所需的新组件需求将围绕牵引力（电动发动机、电池和变速箱组件）、高级驾驶辅助系统、自主功能（自适应悬架、主动转向和制动系统、视觉传感器）、新材料的应用和乘客舱设计（包括增加内部绝缘以及手势识别和增强现实显示器）。

然而，电池是任何电动汽车（EV）跳动的心脏。为了让联网汽车证明其智能，它必须通过监测和控制电池电量来优化其功耗。

主要关注点在于功耗，这是锂电池逐渐耗散能量的过程，这些能量是由与电气系统相关的潜在吸收引起的，这些电气系统即使在车辆关闭时仍保持活动状态：安全系统、车载计算机系统和远程信息处理。每天的能量损失可能高达1%至2%。因此，有必要定期检查主电池组的充电状态是否最佳。

多年来，锂离子电池在相对于其尺寸和重量所能提供多少能量方面的效率已经大大提高。然而，研究人员仍然面临着提高功率密度、耐用性、成本、充电时间和安全性的挑战。监测电气性能是锂离子电池应用成功的关键。

汽车电子系统设计人员面临的挑战是实现一种电池管理系统（BMS），以确保安全运行、长电池寿命以及低压和高压域的分离，而无需具有大量组件的复杂电路。

电动汽车

用电池锂离子电池是未来移动和节能形式的关键技术，并且由于更高的功率密度和更低的成本等特性而正在取得进展。这些电动汽车电池的大规模生产正在显着增加，这主要是由于电动汽车的趋势。据几位研究分析师称，64年，这些电池中约有2018%是为全球电动汽车生产的，到2025年，这一比例将上升到85%以上。

这种增长也是由于它们变得越来越经济。根据在几个电动汽车论坛上提出的最新预测，到2021年，锂离子电池系统的价格将下降到电动汽车与内燃机汽车竞争的程度。

提供高性能所需的主要挑战是增加续航里程、提高充电速度和降低维护成本。许多公司提供电力存储解决方案，提供广泛的工作温度范围，并扩展混合动力（HEV）、插电式混合动力和全电动汽车的范围。先进的锂离子电池技术旨在提高能量密度。

锂离子电池电芯有两个主要的设计问题：一个是材料化学，另一个是电子，这意味着当过度充电时，它会造成永久性损坏和过热。因此，拥有BMS来提供保护和能量控制非常重要。监控系统本质上是电池系统的“大脑”;它测量和报告信息，这对系统至关重要，并保护其在各种操作条件下免受损坏。

电池管理系统

电动汽车和混合动力汽车的电池系统必须设计为支持长时间的闲置。因此，模块电路的备用电源必须比自放电电池消耗更少的能量，这大大降低了过度充电的风险。为了跟踪EV/HEV的负载动态，包括放电和充电工作模式，电子电池监控组件以每秒50个样本或更高的速率检查电池电压。这意味着来自电池组的原始数据流速率很高，有时60节电池组的有效载荷为96kbits/s。

电池单元的排列需要特别注意，因为它们的尺寸和重量对车辆内的维护和分配具有实际意义。按模块组织的电池有助于分配重量并易于管理。

在实践中，电动汽车BMS的主要功能可以总结如下：

电池保护，防止在安全操作区域之外的操作

通过估计充电和放电操作期间的充电状态（SOC）和健康状态（SOH）来监控电池

通过平衡电池来优化电池，以提高电池寿命和容量，从而优化电动汽车的行驶里程

集成电路解决方案

BMS可以监控电池使用情况，从而优化车辆的整体性能。该系统通过控制工作区域、平衡SOC和保护它来进一步管理可充电电池。

根据联合市场研究公司的数据，全球汽车电池管理系统市场按电池类型、车辆类型、连接拓扑和地区进行细分。这个市场上有各种各样的参与者，提供一系列产品。以下是一些示例。

英飞凌科技股份公司为汽车、工业和消费类应用中使用的锂离子电池组提供TLE9012AQU多通道电池监控和平衡系统IC。TLE9012AQU提供四个主要功能：电池电压测量、温度测量、电池平衡以及与主电池控制器的隔离通信。此外，TLE9012AQU提供了必要的诊断工具，以确保受控电池的正常运行（图1）。

ADI公司（ADI）基于AD7284管理板的BMS监控2通道锂离子电池，包括监控堆叠电池所需的所有功能和诊断功能，包括检测开路输入、通信和电源故障（图7284）。AD《》监控系统非常适合监控EV/HEV和固定电源应用中的锂离子电池。

AD7284的特点是多路复用电池电压和辅助模数转换器（ADC）测量通道，支持《》至《》节电池管理单元、内部温度传感器和控制定时器。四个辅助ADC输入通道用于温度测量和系统诊断。

具有14位分辨率的完整监控系统集成了多个电压输入通道和一个辅助ADC。主板上的组件包括使用ADuM1201和ADuM5401数字隔离器隔离的电源和接口，以及通过ADP3303和ADP7104稳压器的电源。

瑞萨电子提供ISL78692和ISL78693汽车级单节电池充电器，可延长锂离子、锂聚合物（Li-polymer）和磷酸铁锂（LiFePO4）汽车紧急呼叫（eCall）系统中使用的电池。

ISL78692是一款集成式单节锂离子或锂聚合物电池充电器，能够在低至2.65V的输入电压下工作（冷启动箱）。当交流适配器是电压源时，它可用作线性充电器，也可以与限流适配器配合使用，以最大程度地减少散热。ISL78692具有充电电流热折返功能，可在印刷电路板的散热因空间限制而受到限制时保证安全操作（图3）。

电池监视器捕获关键电池参数，如电压、电流和温度，并将此信息传递给微控制器。这些器件构成了下一代高功率系统（如电动汽车、电动工具、储能系统和电动汽车应用）的完整监控和平衡解决方案的一部分。

德州仪器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的时间内提供高达200S的电池模块电池电压测量。集成的前端滤波器使系统能够在电池输入通道上使用简单的低电压额定值差分RC滤波器来实现。它还带有集成的电流测量功能，可选择与电池电压测量同步，以实现更好的SOC计算。该器件支持自主内部电池平衡，具有温度监控功能，可自动暂停和恢复平衡，以避免出现过热情况（图4）。

ISL78692是一款集成式单节锂离子或锂聚合物电池充电器，能够在低至2.65V的输入电压下工作（冷启动箱）。当交流适配器是电压源时，它可用作线性充电器，也可以与限流适配器配合使用，以最大程度地减少散热。ISL78692具有充电电流热折返功能，可在印刷电路板的散热因空间限制而受到限制时保证安全操作（图3）。

电池监视器捕获关键电池参数，如电压、电流和温度，并将此信息传递给微控制器。这些器件构成了下一代高功率系统（如电动汽车、电动工具、储能系统和电动汽车应用）的完整监控和平衡解决方案的一部分。

德州仪器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的时间内提供高达200S的电池模块电池电压测量。集成的前端滤波器使系统能够在电池输入通道上使用简单的低电压额定值差分RC滤波器来实现。它还带有集成的电流测量功能，可选择与电池电压测量同步，以实现更好的SOC计算。该器件支持自主内部电池平衡，具有温度监控功能，可自动暂停和恢复平衡，以避免出现过热情况（图4）。

每个电池电压的测量精度以及片上库仑计数的电流。该设备最多可以监控七个NTC。信息通过SPI通信或隔离接口传输（图5）。

结论

电动汽车市场的增长将为优化能源管理带来新的解决方案。特别是，电池将在电池管理系统中发挥重要作用，有助于优化电动汽车的性能，同时确保电池组的安全性。