引言

新能源汽車最核心和最貴的兩個器件是IGBT和電芯，圍繞這兩個器件其實在三電系統檢測和保護中芯片起到了很大的作用，隨著汽車內電壓從12V、48V、200V+、400V+最后到800V，監測和保護的芯片電路的功能重要性也越來越重要。當然這部分成本在BMS、逆變器里面也占了不小的成本比例。

01

不同的電壓組合

從整體的演進路線，目前主要汽車里面由單一的電壓等級12V開始逐步往多個電壓轉變，主要發展方向為：

1）混合動力12V+48V：采用兩顆電池，一般是12VAGM電池和48V鋰電池作為搭配。

2）混合動力12V+HV：采用兩顆電池，12VAGM鉛酸電池和高壓鋰電池作為組合

3）電氣化：主要包含12V+HV、12V+48V+12V和HV+48V（目前這種設計并不存在，只是演進的方向） 這里值得一提的是48V電源供電設計，48V電壓平臺通常用于為需要更高功率的負載供電，連接到48 V電壓平臺上的ECU都需要高效，高功率密度且能夠承受ISO 21780中規定的工作電壓要求的電源管理設備。可以使用降壓穩壓器，三相柵極驅動器和電池管理系統之類的產品，配合電流和電壓檢測放大器產品組合。

02

電池管理系統

電池管理系統的主要任務是通過保證電池系統的設計性能，從硬件結構上,電池管理系統由傳感器、控制器、執行器、高低壓線束等組成，從硬件結構上來看，它有以下的功能模塊：

1）電池參數檢測（傳感器層）：包括電池系統總電壓、總電流、單體電池電壓檢測、溫度檢測、煙霧探測、絕緣檢測、碰撞檢測等。

2）接觸器控制與電池安全保護（執行層）：電池管理系統具備驅動接觸器的電路和診斷接觸器各個高壓節點的實際狀態，接觸器在實際情況下是集成在智能斷開盒中的

3）MCU計算核心：這部分是整個電池管理系統的算法，這部分也是電池系統作為一個整車控制器實現既定的功能安全目標最為基礎的電路結構。

4）均衡電路：整個電池系統的不一致性直接影響電池系統地實際可用容量，這個不一致性會隨著時間進行累積。目前隨著電池進入200Ah的時代，均衡的作用和能力進入一個微妙的時代。

5）電源管理電路和EMC抑制：電池管理系統從電池模組和12V電池上驅電，通過合理的保護電路來管控不同節點的電源情況。

6）網絡通訊和喚醒電路：電池管理系統是需要與整車動力總成、車身網絡等整車網絡節點通信，也需要進行對應的網絡管理和喚醒休眠管理。

7）信息存儲單元：用于存儲關鍵數據，比如在整個生命周期內客戶使用的情況，這部分核心內容是記錄電池系統超出預期的濫用數據的時間和頻次。

隨著域控制器的引入，BMS內存儲信息，主要是以FOTA 的要求為主，存數據倒不是重要的事情。 如下圖所示，想要完成一個大的完整的電池管理系統在一塊電路板上面，其硬件和軟件的復雜度，特別是高低壓混合的情況比較突出，外圍的高低壓線束使得整個電池管理系統在硬件設計上難以實現。

圖1 電池管理系統的硬件基本框架

圖2 某個典型的BMS電路，后續會拆解分析

03

電池系統和充電里面的芯片進化特點

如何提高電池管理系統的可靠性？

電池的AFE檢測芯片，以德州儀器 (TI) BQ79606A-Q1為例，主要的設計方向是在芯片層面提高芯片的功能安全等級和可靠性。高度集成的BQ79606A-Q1 可精確監控溫度和電壓水平，有助于最大限度地延長電池使用壽命和上路時間。此外，BQ79606A-Q1電池監控器具有安全狀態通信功能，可幫助系統設計人員滿足汽車安全完整性等級D（ASIL-D）的要求。這是ISO 26262道路車輛標準定義的最高功能安全目標。 目前AFE方面，在電壓檢測，溫度檢測和通訊功能達到汽車安全完整性等級ASIL-D。 在通信方面，AFE占據主要的功能，從之前的CAN大部分企業都逐步過渡到的菊花鏈的通信方式，在菊花鏈的環體系結構，即使在一端通訊電纜斷開的情況下,也可以通過反向通訊保證所有電池模組的通訊

圖3 菊花鏈通信方式

在設計方面中，無需外部齊納二極管也可實現強大的熱插拔性能。目前電池系統需要優化低溫下的充電/放電性能，并確保高溫下電池保持在安全的工作區域內。為了應用適當的熱管理策略，有必要在電池/電池組水平上進行準確的電壓和溫度感測（BQ79606A-Q1）。這些可能需要在冷啟動條件下進行預熱，并在較高溫度下進行冷卻。

小結：這幾年BMS的發展，主要還是在AFE芯片的優化上，本身BMS本體的功能發展還是比較有限的，隨著BMS和域控制器的迭代發展，這方面的特點會越來越明顯。作為模擬芯片老大，TI近些年不斷推出相關的車規級產品和參考設計，比如上文提到的 BQ79606A-Q1和基于該產品的可擴展的6s 至 96s鋰電池監控演示器參考設計，并且還在不斷研發新一代產品，加速這個領域的創新迭代過程。另外說個題外話， 最近看到了許多TI針對于汽車市場的宣傳活動，可見其對汽車領域的重視。

圖4 TI在上海汽車城安亭地鐵站的廣告宣傳

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