如何为先进的电动汽车电池管理系统设计智能电池接线盒

随着电动汽车 （EV） 变得越来越受欢迎，汽车制造商面临的挑战是在使车辆更实惠的同时反映真实的续航里程。这意味着使电池组成本更低，能量密度更高。从电池中存储和检索的每一瓦时对于延长行驶里程至关重要。

电池管理系统（BMS）的主要功能是监控电池电压、电池组电压和电池组电流。此外，由于BMS的高压设计，需要在高压域和低压域之间进行绝缘电阻测量，以捕获电池结构中的缺陷并防止危险条件。

图 1：传统的 BMS 架构 （a）;带有智能电池接线盒 （BJB） 的 BMS 架构 （b）

图1所示为典型的BMS架构，其中包含电池管理单元（BMU）、单元监控单元（CMU）和电池接线盒（BJB）。BMU通常有一个微控制器（MCU），用于管理电池组内的所有功能。传统的BJB是继电器盒或带有电源接触器的开关盒，将整个电池组连接到负载逆变器，电机或电池充电器。

图1a显示了传统的BMS。接线盒内没有有源电子设备。BJB 中的所有测量都是在 BMU 测量的。有电线将BJB连接到模数转换器（ADC）端子。

图 1b 显示了智能 BJB。盒子内有一个专用的电池组监视器，用于测量所有电压和电流，并使用简单的双绞线通信将信息传递给MCU。它有助于消除电线和电缆线束;并以更低的噪声改进电压和电流测量。

电压、温度和电流测量

图 2 显示了由 BQ79731-Q1 电池组监视器支持的 BJB 内部测量的电池组监视器内的不同高电压、电流和温度。

图 2：BJB 内部的高压测量

电压：使用分压电阻串测量高压。这些电压测量监测系统中高压组件的状态。

温度：温度测量值监控分流电阻器的温度，以便MCU可以应用补偿，以及接触器的温度，以确保它们不会受到超出正常工作条件的压力。

电流：电流测量基于以下任一条件：

分流电阻器 - 由于电动汽车中的电流可以高达数千安培，因此分流电阻值非常小——在 25 μOhms 至 50 μOhms 的范围内;或

霍尔效应传感器 – 用于测量高压轨上的 EV 电流，同时仍处于隔离状态。其动态范围通常有限，因此系统中可以有多个传感器来测量整个范围。

过流故障检测和保护

BMS中甚至需要检测和防止过电流，以防止在发生短路，暴露高压端子或有缺陷的设备时对电池组造成灾难性损坏。集成在BJB单元中的过流电路将使用通过分流电阻器或霍尔效应传感器和电池组监视器测量的电流检测信息。然后处理该测量值，并将其与电池组监视器内的阈值进行比较，而该阈值能够通过专用输出发出过流事件信号，该输出将用于启用保险丝驱动器以熔断高压分离器（热解保险丝）。由于对此的反应时间需要尽可能快，因此在电池组监控器设备中实现了专用的信号处理路径。

电压和电流同步

电压和电流同步是对电池组监视器和电池监视器之间的电压和电流进行采样的时间延迟。这些测量主要用于通过电阻抗谱（EIS）计算充电状态和健康状态。通过测量电池两端的电压、电流和功率来计算电池的阻抗，使BMS能够监控汽车的瞬时功率。

The cell voltage, pack voltage and pack current have to be time-synchronized to provide the most accurate power and impedance estimations. Taking samples within a certain time interval is called the synchronization interval. The smaller the synchronization interval, the more accurate the power estimate or the impedance estimate. The more accurate the state-of-charge estimation, the more accurate remaining mileage drivers get.

Synchronization requirements

下一代BMS将需要在不到1 ms的时间内进行同步电压和电流测量，但满足这一要求存在挑战：

TI 的电池监视器可以通过向电池监视器和电池组监视器发出 ADC 启动命令来保持时间关系。这些电池监视器还支持延迟 ADC 采样，以补偿沿菊花链接口传输 ADC 启动命令时的传播延迟。

远程设备通信支持

智能BJB的另一个优点是，通过使用多功能菊花链接口，不仅可以用于电池组和电池监控设备，还可以使用EEPROM存储器等远程设备或放置在模块中的任何类型的传感器，从而简化数据通信，这些传感器在车辆中具有不同的物理位置。在这种情况下，包装和监视器设备还充当界面转换器，提供I2C 或 SPI 数据通过菊花链接口传输，无需电线和电缆线束，从而减轻了电动汽车的整体重量。

汽车行业正在发生的大规模电气化工作推动了通过在接线盒中添加电子设备来降低BMS复杂性的需求，同时提高系统安全性。电池组监视器可以在本地测量继电器前后的电压，即通过电池组的电流。电压和电流测量精度的提高将直接导致电池的最佳利用。TI 的 BQ79631-Q1 和 BQ79731-Q1 通过将系统的所有必要功能集成到单个器件中，可以优化智能 BJB 的性能并降低其未来成本。有效的电压和电流同步可实现精确的健康状态、充电状态和EIS计算，从而实现电池的最佳利用率。

此外，TI 的 BQ79616-Q1 和 BQ79718-Q1 电池监控器系列提供精确的电池电压和温度测量，作为 CSU 实施的一部分，可实现完整的 BMS 生态系统。