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電動(dòng)汽車電池管理IC方案精選

發(fā)布時(shí)間：2017-03-24 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】我們常說的BMS（電池管理系統(tǒng)）功能主要有三種：通過測量動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，為駕駛員提供剩余的使用電量，以便提醒駕駛員能及時(shí)為電動(dòng)電池進(jìn)行充電；其次是對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)控管理，檢測電池工作時(shí)的溫度，并使用吹分機(jī)或散熱片來確保電池工作在最佳狀態(tài)；最后是實(shí)現(xiàn)電池的均衡管理，由于出廠制造誤差、或者使用過程中的存在通風(fēng)性差異，電化學(xué)性能轉(zhuǎn)換不一等情況，對(duì)電池電壓、剩余電量進(jìn)行檢測，以防過度充電。

在BMS開發(fā)過程中，對(duì)BMS的危害分析有過壓（過充）、欠壓、過溫和過流等危害事件，如過壓可能是一個(gè)比較嚴(yán)重的事件，尤其長時(shí)間對(duì)電池過充會(huì)導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞，甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么，對(duì)于BMS系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池過充、并通過合理的危害分析及評(píng)估，從單點(diǎn)失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計(jì)安全機(jī)制，最后做出恰當(dāng)及時(shí)的處理。

恩智浦符合BMS功能安全的參考設(shè)計(jì)

恩智浦提供完整的電池管理系統(tǒng)解決方案，包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網(wǎng)絡(luò)高速收發(fā)器、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等。借助恩智浦的BMS方案，客戶可輕易實(shí)現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡(luò)或菊花鏈的電池管理系統(tǒng)。恩智浦提供多種符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的器件，主控單元MPC574xP安全等級(jí)達(dá)到ASIL-D，模擬前端電池控制器MC33771安全等級(jí)達(dá)到ASIL-C，SBC（System Basic Chip）系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65安全等級(jí)達(dá)到ASIL-D。采用這套方案可簡化軟硬件設(shè)計(jì)，幫助客戶輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全等級(jí)達(dá)到ASIL-C/D。此外，恩智浦提供符合功能安全的參考設(shè)計(jì)，極大加速客戶開發(fā)符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的BMS產(chǎn)品。

恩智浦BMS菊花鏈?zhǔn)浇鉀Q方案

在該方案中，主控單元采用的MPC574xP是一款基于Power architecture、具有l(wèi)ock step核的高性能、高安全性MCU。

SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65不僅提供多種可配置的電源選擇，而且提供電源監(jiān)控和眾多安全機(jī)制，支持fail-safe安全保護(hù)模式，MCU搭配SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片可實(shí)現(xiàn)更高的安全等級(jí)。

模擬前端MC33771負(fù)責(zé)電池?cái)?shù)據(jù)的采集，一個(gè)MC33771最多可以接14節(jié)單體電池，多個(gè)MC33771可以級(jí)聯(lián)形成菊花鏈?zhǔn)酵ㄐ拧?/div>

MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層，負(fù)責(zé)將SPI信號(hào)和差分信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括集中式、分布式菊花鏈結(jié)構(gòu)以及集中式、分布式CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。菊花鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)可顯著降低BOM成本，受制于通信距離限制，在目前的大巴車上，目前主要是基于CAN總線通信。恩智浦提供的BMS解決方案具有極大的靈活性，可滿足不同客戶的需求。

鑒于目前國內(nèi)市場基于ISO26262的開發(fā)還處于起步階段，部分車廠和供應(yīng)商的功能安全開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致開發(fā)符合IS026262標(biāo)準(zhǔn)的BMS難度較大，并且要一下子達(dá)到系統(tǒng)級(jí)ASIL-C/D，系統(tǒng)開發(fā)成本高，挑戰(zhàn)性巨大。針對(duì)這種情況，恩智浦提供一種具有低成本優(yōu)勢的方案，推薦主控單元MCU采用具有超高性價(jià)比的S32K14x，該系列MCU基于ARM Cortex M4內(nèi)核，按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)合外部的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65等，可使系統(tǒng)安全等級(jí)達(dá)到ASIL-B。另外，單個(gè)S32K14x達(dá)到ASIL-B等級(jí)，通過軟硬件冗余設(shè)計(jì)也能使系統(tǒng)達(dá)到更高的安全等級(jí)ASIL-C。

恩智浦BMS CAN網(wǎng)絡(luò)解決方案

需要指出的是，在恩智浦公司，所有按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的器件，都被囊括在恩智浦的SafeAssure計(jì)劃里。SafeAssure 保證開發(fā)的產(chǎn)品符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，并提供必要的支持，提供功能安全相關(guān)的文檔，如Safety Manual 和FMEDA等，Safety Manual詳細(xì)闡述了芯片所采用安全機(jī)制，并指導(dǎo)用戶如何使用芯片可以達(dá)到比較高的安全性等級(jí)。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和診斷分析等，客戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求對(duì)FMEDA進(jìn)行裁剪。

意法半導(dǎo)體面向車載多媒體、支持局域網(wǎng)節(jié)能電源IC

（一）集成式多媒體mosfet電源管理芯片L5961

作為ST首款集成式MOSFET（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）網(wǎng)絡(luò)電源管理方案，電源管理IC L5961面向目標(biāo)為車載多媒體、信息娛樂系統(tǒng)。意法的mosfet技術(shù)主要用于在汽車環(huán)境內(nèi)輕松地增裝CD或DVD播放器、車用收音機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航儀等各種多媒體設(shè)備。

新款電源管理IC用于支持SMSC的mosfet網(wǎng)絡(luò)處理。L5961整合了電源和MOST兼容電源管理控制邏輯電路，以及強(qiáng)化的診斷和完備的系統(tǒng)監(jiān)控功能（電源電壓、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、喚醒事件和溫度）。

L5961電源管理芯片與SMSC網(wǎng)絡(luò)處理器組成芯片組，可充當(dāng)任何一個(gè)MOST網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成模塊，而且讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間保持更大的獨(dú)立性，網(wǎng)絡(luò)中某一設(shè)備的開關(guān)時(shí)序或設(shè)備故障不會(huì)影響聯(lián)網(wǎng)的其它設(shè)備。當(dāng)芯片組通過驗(yàn)證即可用于所有mosfet應(yīng)用，無需重復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證。

ST L5961集成電源管理控制邏輯電路及電源設(shè)計(jì)，印刷電路板尺寸縮小、制造成本和總體擁有成本更低、以及帶來更小的待機(jī)功耗。L5961支持多種功耗模式，其中超零功耗模式的正常靜態(tài)電流僅為5μA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分立器件取得的數(shù)值。

L5961的其它特性包括：集成一個(gè)給網(wǎng)絡(luò)處理器以及一個(gè)外接低壓設(shè)備供電的5V或3.3V、650mA DC-DC轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)給光纖發(fā)射器和接收器供電的穩(wěn)壓器，具有診斷功能的網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器，此外還集成三個(gè)電源電壓監(jiān)測用電池檢測器，在目前的分立器件解決方案中，電池檢測器是單獨(dú)存在的功能。

（二）最新CAN技術(shù)規(guī)范、支持局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減耗電源IC L99PM72PXP

意法推出的新款汽車電源管理系統(tǒng)IC L99PM72PXP，可支持先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的汽車IC，大幅改善汽車燃油效率和尾氣二氧化碳排放量。通過局域網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的，這項(xiàng)最新CAN技術(shù)規(guī)范的新功能可將汽車CO2 排放量降低2g/km以上。

新款電源管理IC L99PM72PXP通過單片整合高速CAN（HS-CAN）和LIN物理層功能，新產(chǎn)品擁有制造完整車身電子控制器單元（ECU）所需的全部功能。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)針對(duì)某些特定用途，如空調(diào)控制模塊和車門控制器單元，以及車座椅模塊、后備廂模塊、掛車模塊、天窗模塊和后視鏡模塊。

與市場現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CAN收發(fā)器或系統(tǒng)芯片不同的是，L99PM72PXP能夠自主監(jiān)控CAN總線，無需模塊的主處理器介入，只有檢測到正確地址的喚醒信號(hào)時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，L99PM72PXP以這種方式關(guān)閉CAN的局部網(wǎng)絡(luò)，有助于降低汽車的整體能耗。

先進(jìn)的失效保護(hù)功能是L99PM72PXP附加且獨(dú)有的功能，可改進(jìn)電子控制器的穩(wěn)定性和可靠性。內(nèi)置的微控制器監(jiān)控、電源電壓監(jiān)控以及溫度監(jiān)控等保護(hù)功能為避免故障發(fā)生提供最有力的保障。此外，新產(chǎn)品集成大量具有成本效益的外設(shè)功能，如上下橋臂驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算放大器和穩(wěn)壓器，從而能夠減少外部元器件的數(shù)量，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的總體成本。

凌力爾特整合電池組監(jiān)視器+SmartMesh無線網(wǎng)格BMS系統(tǒng)

凌力爾特提供門類齊全的高性能電池充電器產(chǎn)品線，這些充電器IC提供諸多的電池安全及管理標(biāo)準(zhǔn)功能，包括片上電池預(yù)查驗(yàn)、熱調(diào)節(jié)、NTC 接口以及采用 SMBus 或 I2C 接口的雙智能型電池系統(tǒng)管理。

在電池管理方面，凌力爾特提供如電池充電器 IC、PMIC、USB電源管理器、電池電量測試芯片、多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器、電池平衡器及無線功率傳輸?shù)鹊取?/div>

今年初慕尼黑上海電子展上，凌力爾特展示了業(yè)界首款無線電池管理系統(tǒng) （BMS）概念車。這款無線 BMS 概念車由凌力爾特的設(shè)計(jì)合作伙伴 LION Smart 開發(fā)，它把凌力爾特高度準(zhǔn)確的電池組監(jiān)視器及 SmartMesh? 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在 BMW i3 車型上進(jìn)行了整合，取代了電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。

SmartMesh IP 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

整合型BMS系統(tǒng)采用LTC6811電池組監(jiān)視器，這是一款面向混合動(dòng)力 / 電動(dòng)汽車的完整電池測量器件，能夠測量多達(dá) 12 個(gè)串接式電池的電壓，并具有優(yōu)于 0.04% 的準(zhǔn)確度。把 LTC6811 與凌力爾特的 SmartMesh 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相組合，可解決汽車配線線束和連接器所引起并長期存在的可靠性問題。

多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器

凌力爾特的多節(jié)電池、高電壓電池組監(jiān)視器系列是完整的電池監(jiān)視 IC，它們內(nèi)置了 12 位 ADC、精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多工器和一個(gè)串行接口?？梢园堰@些器件串聯(lián)起來（無需使用光耦合器或光隔離器）以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池。

該監(jiān)視器系列的應(yīng)用包括電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車、高功率便攜式設(shè)備、備份電池系統(tǒng)和高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

具備高精準(zhǔn)度的LTC6801/6802/6803電池組監(jiān)視器系列

LTC6802-1 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器

特點(diǎn)：

1.可測量多達(dá) 12 個(gè)串聯(lián)鋰離子電池的電壓（最大值為 60V）

2.可堆疊式架構(gòu)實(shí)現(xiàn) > 1000V 的系統(tǒng)

3.0.25% 的最大總測量誤差

4.可在 13ms 完成一個(gè)系統(tǒng)中所有電池的測量

5.電量平衡：

- 內(nèi)置無源電量平衡開關(guān)

- 提供片外無源電量平衡

6.具兩個(gè)熱敏電阻輸入和內(nèi)置溫度傳感器

7.1MHz 可菊鏈?zhǔn)竭B接的串行接口

8.抗 EMI 的能力高

9.具內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ 轉(zhuǎn)換器

10.導(dǎo)線開路連接故障檢測

11.低功率模式

12.采用 44 引腳 SSOP 封裝

典型應(yīng)用：

電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車
高功率便攜式設(shè)備
備份電池系統(tǒng)
高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電池平衡器LTC3300/LT8584系列

LTC3300 是一款故障保護(hù)控制器 IC，適用于對(duì)多節(jié)電池的電池組進(jìn)行基于變壓器的雙向主動(dòng)電荷平衡。該器件集成了所有相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電路、高精度電池感測、故障檢測電路和一個(gè)帶內(nèi)置看門狗定時(shí)器的堅(jiān)固型串行接口。

每個(gè) LTC3300 能利用一個(gè)高達(dá) 36V 的輸入共模電壓對(duì)多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)連接的電池進(jìn)行電荷平衡。來自任意選定電池的電荷能以高效率在其自身與 12 節(jié)或更多節(jié)相鄰的電池之間來回傳輸。一個(gè)獨(dú)特的電平移位 SPI 兼容型串行接口能在不采用光耦合器或隔離器的情況下完成多個(gè) LTC3300-1 器件的串聯(lián)連接，從而實(shí)現(xiàn)長串串接電池中每節(jié)電池的電荷平衡。

LT8584 是一款單片式反激 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專為主動(dòng)平衡高電壓電池組而設(shè)計(jì)。開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率顯著地增加了可實(shí)現(xiàn)的平衡電流，同時(shí)減少了發(fā)熱量。另外，主動(dòng)平衡還可實(shí)現(xiàn)失配電池組的容量恢復(fù)，這是采用被動(dòng)平衡系統(tǒng)無法獲得的特性。在典型系統(tǒng)中，可恢復(fù)超過 99% 的總電池容量。

LTC3300-1 - 高效率雙向多節(jié)電池的電池組平衡器

特點(diǎn)：