新能源汽车BMS芯片浅析

在电动汽车当中，电池是电动汽车的动力来源，其容量及能量密度影响着汽车的续航，其品质影响着汽车的安全性能。而电池的性能和寿命则是衡量电动汽车性能的重要指标。如何掌握这些指标并保证每颗电池的运行状态达到最优？如何避免应用中的电池过度充、放电，改善电池组中各单体电池的不对称性，提高电池组的效率，延长其使用寿命都是电动汽车的关键技术问题。

    电池管理系统



  电池管理系统(Battery Management System，BMS)作为连接电动汽车电池组、整车系统和电机的重要桥梁，通过与动力电池紧密结合的传感器，监控车用蓄电池的电压、电流、负载、温度等状态，并能为其提供安全、通信、电芯均衡和管理控制，提供同应用设备通信接口的系统，如图1所示。BMS具备监控蓄电池系统总电压、电流数据，获取单体电池、电芯组、电池模块电压，掌握电池包内温及其形态等数据。它主要由3个部分构成，包括硬件架构、底层软件以及应用软件。BMS处理的信号足够丰富，包括：电芯、碰撞、CAN、充电、水泵、高压、绝缘等等。

 

    1.1、硬件架构

  BMS硬件包含CPU、电源和采样IC、隔离变压器、CAN模块、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件结构如图2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓扑结构。集中式把电子部件归纳在板块内，采样芯片由菊花链接主芯片通信，链路简单，成本低廉，缺点是稳定性不足。分布式由主板、从板组成，系统配置灵活，通道利用率高，适用于各类电池组，缺点是电池模组数量不足时造成通道浪费。

    BMS的主控制器具备处理上报来的信息、综合判断电池运行情况、实现控制策略并处理故障信息功能。高压控制器具备收集上报总电压、电流，并为主板提供载荷情况（SOC）、健康状况（SOH）所需数据，实现预充电、绝缘两项检测功能。从控制器具备单体电池信息采集上报，拥有动平衡功能，可以保持电芯的动力输出一致性。采样控制线束具备同时在每一根电压采样线上添加冗余保险功能，可避免电池外部短路故障（图2）。

   

    1.2、底层软件

  根据汽车开放系统结构（AUTOmotiveOpenSystemAr－chitecture，简称AUTOSAR），架构为了减少对硬件设备的依赖性，将BMS划分为诸多通用功能区块。能够对不同的硬件实现配置，并对应用层软件影响较小。其需要通过RET接口与应用层软件链接，介于故障诊断事件管理（DEM）、故障诊断通信管理（DCM）、功能信息管理（FIM）以及CAN通信预留接口等灵活性要求，应当从应用层进行配置。
    1.3、应用层软件

  应用层涵盖了高低压管理、充电管理、状态估算、均衡控制以及故障管理等，如图3所示。

   
    1）高低压管理主要是需要上电时，VCU通过硬线（CAN信号）的12V激发BMS，待后者完成自检后闭合继电器上高压；需要下电时，VCU下达指令断开12V信号，或者在充电时由CP（A+）信号激发。
    2）充电管理中慢充流程较为简单，而快充需要在45min内完成冲入电量80%，要通过充电辅助电源A+信号激发，目前国标中对快充尚未完成统一，即存在2011和2015两个快充版本。
    3）SOC是状态估算功能的核心控制算法，表示电池剩余容量，通过特定的安时积分法计算得出；SOH是判别电池的寿命状态及电池充满状态下的容量，一般低于80%的电池不得继续使用；SOP需要根据温度及SOC换算得出，能够在电池临界之前及时发出信号让电力系统限定部分功能；SOE算法是用来估算剩余续航里程的，当前开发得较为简单，因此电动车续航里程常常不准确，俗称“空电”现象。

    4）均衡控制的作用是均衡单体电池放电不一致，由于电路当中必将由于性能最差的单体电池的截止而截止，造成其余性能完备电池蓄存量的浪费。均衡控制分为主动和被动，其中主动控制将单体间能量进行转移，其结构复杂且成本较高，而被动控制除会浪费部分能量外，优势更为明显，目前备受厂家青睐。
    5）故障诊断主要是根据数据采集、一般性故障、电气设备故障、通信故障和电池故障等情况，划分不同故障等级，并采取对应措施。
     电池管理系统中传感器应用
  BMS中主要应用的传感器有电流传感器、温湿度传感器、电压传感器和位置传感器。
    2.1、电流传感器
  2.1.1、霍尔电流传感器
  霍尔效应（HallEffect）传感器变化的磁场转为变化的电压，其属于间接测量。可分为开环式、闭环式两类，后者精度较高。霍尔电流传感器简化了电路，仅要连通直流电源正负极，将被测电流母线穿过传感器便完成主电路和控制电路的隔离检测，如图4所示。传感器输出信号为副边电流，和原边电流（输入信号）成正比，数值较小，需进行A/D转换。霍尔电流传感器集互感器、分流器优点于一身且结构更为简单，但易受干扰，已不适用于越来越精密复杂的电动车电源环境。

   
    2.1.2、磁通门电流传感器
  磁通门原理（FluxGate）即为易饱和磁芯在激励电流影响下，激励电流大小改变电感强度，进而改变磁通量大小，磁通量则如同门那样打开或者闭合。
  普通霍尔电流传感器精度在0.5%~2%之间，而磁通门电流传感器利用磁通门原理制作而成，精度能够达到0.1%甚至更高，因此也称之为高精度电流传感器。结构上有也有开口型和不开口型两类，即有开环和闭环两类。此处着重介绍闭环磁通门电流传感器，即放大磁通门激励电流二次谐波信号，驱动补偿线圈，使聚磁磁芯的磁通和原边电流的磁通相抵消，保持“零磁通”状态；对于HPIT系列磁通并不为零，是一种无二次谐波的对称形状，如图5所示。

   

    磁通门电流传感器从结构上分为4类，见表1，分别是单磁环、双磁环、双磁环（屏蔽）、多磁环（嵌套）。由于集具磁通门原理高灵敏性、闭环磁平衡与匝比输出严格对应性、整体磁芯封闭性、探头补偿消除振荡谐波影响输出干净性等优点，因此闭环磁通门电流传感器被广泛应用于各型电动车产品当中，如特斯拉Model3、比亚迪汉、理想ONE、小鹏P7等畅销车型。

   
    2.1.3、穿隧磁阻效应电流传感器

  穿隧磁阻效应（TMR）电流传感器是全新一代磁敏元件，较霍尔器件、各向异性磁电阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）相比（图6），其拥有能耗低、温漂低、灵敏度高等优点，能够明显改善电流检测的灵敏度与温度特性，故而在新一代电动汽车电池管理系统中，被用于全面取代霍尔传感器。TMR电流传感器在检测电流时不再需要进行温度补偿，将-40℃~85℃环境下的温度漂移总量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。
    例如对于车载充电器的电流检测与控制上，其能够对铜排或导线电流的精准检测而使用芯片体积更小，精度、线性度、响应速度和温漂特性则更为优化，为电动车带来极佳的安全性与经济性。
   

      2.2、温湿度传感器
  2.2.1、NTC温度传感器
  温度对于BMS性能发挥意义重大，为了进一步提升电池利用率，防止电池过度放（充）电，掌控电池工况，增加电池使用寿命，内置NTC温度传感器来监测温度。NTC温度传感器主要由Mn等高纯度金属元素的氧化化合物经过陶瓷技术和半导体技术结合制成，工作原理为这些材料载流子数目少，电阻较高，当温度升高时，载流子数目相应增加，电阻对应降低（图7）。
    其拥有电阻率高、热容小、响应快，阻值与温度线性关系优良，能弯曲、价格低、寿命长等优点。常用的有3类：地环外壳NTC温度传感器，俗称“地环型”；环氧树脂封装NTC温度传感器，俗称“水滴头”、“小黑头”；薄膜NTC温度传感器。
   

    2.2.2、HTW湿度传感器
  湿度传感器就是一种把环境湿度量转变成能够被电信号标记的设备或者装置，常见的湿度传感器测量的量为相对湿度。现在电动汽车BMS常用的湿度传感器有电阻式湿敏元件和电容式湿敏元件。其原理是在基片上涂敷一层用感湿材料膜，环境中水蒸气吸附在膜上时，元件电阻率、电阻值会变化，就能测出湿度。
    HTW-211是引进国外的高精度湿度测量传感器模块，是基于HumiChip的精确且可靠的湿度测量传感器。湿度因素在电动车电池管理系统中尤为难以捕捉，但对于电池的性能、寿命影响巨大。对传感器的湿度输出予以温度补偿，得到线性电压，输入到带有ADC的电动汽车的BMS当中。
    2.3、电压传感器
  电动汽车供电系统的电池组由几百个串联电芯联通，故而测量电压的通道需求较大。串联电池组为累计电压，但单个电池电动势并不相同，不能简单采用单向补偿法消去误差。电池电压采集需要高精度，达到1mV，而目前采集精度仅有5mV。
    电压传感器能够让被测电池电压转换成可输出信号的传感器，电动汽车用的电致发光效应电压传感器是测量发光材料在被测电压发光强度情况来获得被测电压有效数值。同传统的光学电压传感器相比，基于电致发光效应的电压传感器将不再用载波光源，一方面消除载波光源测量的不稳定性，另一方面也对传感器结构进行简化、降低生产成本。
    2.4、位置传感器
  BMS中的位置传感器是一项《电池温控管理系统及电动汽车》实用新型专利当中提到的，目前在电动汽车中尚未广泛应用。
    位置传感器主要是用于检测BMS系统中水冷装置中冷却液面的位置情况。位置传感器被安装在冷却水浮漂上，用于对冷却液相对于膨胀水壶液面位置进行检测，得到膨胀水壶的出液口同所述液体的接触情况。通常至少需要3个浮漂，并在每个浮漂上安装位置传感器，以便于车辆在经过陡坡等路段或冷却系统中存有大量气泡时，BMS及时调节控制主水泵与副水泵进行切换运行。
    随着国内外电动车产业的不断升级，越来越多的传感器技术将会应用到电动汽车、BMS当中，企业应当把握良机为市场生产出更优质、更廉价的电动汽车产品和BMS。当然在新的传感器技术支持下，BMS也会由现在的“硬件+算法”体系升级到“数据+主动式管理”体系。全球汽车传感器原厂有博世、埃戈罗、英飞凌、霍尼韦尔、恩智浦、迈来芯、TDK、瑞萨、艾迈斯欧司朗、意法半导体、亚德诺、安森美、村田、意瑞、纳芯微、杰盛微、中科阿尔法、赛卓、芯森、芯进、旭化成微电子、微传科技、CROCUS TECHNOLOGY、新纳传感、多维科技、矽睿科技、莱姆、保隆、航智、联合电子、盛思锐、科敏、睿感、兴工微、三莹、韦感、柯力、琪埔维、杰开、NTK、森萨塔、电装、巨磁智能等。
      电池管理系统中的核心芯片
  常见的BMS核心芯片主要涉及计算单元（如MCU）、AFE（模拟前端芯片）、数字隔离器、ADC（模数转换器）、CAN总线收发器、网络变压器、电流传感器、保险丝/电缆及其他部件等。

   

 

图8、BMS芯片及元器件组成

 

3.1、计算单元（MCU、FPGA等）：实现控制、计算等功能
 

MCU作为计算平台，需要满足AEC-Q100、ISO26262等认证。以ADI 48V油电混合BMS系统为例，MCU起到继电器控制、SOC/SOH估计、均衡控制、电芯电压、电流、温度数据收集、数据存储等作用。相较于消费级和工业级MCU，车规级MCU行业壁垒更高。车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高，研发难度较大：汽车行驶的外部温差较大，对芯片的宽温控制性能有较高要求；在产品寿命方面，整车设计寿命通常在15年及以上，远高于消费电子产品的寿命需求；在失效率方面，整车厂对车规级半导体的要求通常是零失效；在安全性方面，汽车电子的高功能安全标准给复杂性日益增长的电子系统量产化提供了足够的安全保障。车规级半导体的供应周期需要覆盖整车的全生命周期，供应需要可靠、一致且稳定，对企业供应链配备和管理方面提出了较高要求。

 

车规MCU原厂有德州仪器、意法半导体、恩智浦、英飞凌、瑞萨、中颖、兆易创新、芯海、国民技术、赛腾微、杰发、芯旺、小华半导体、云途、琪埔维、比亚迪半导体、芯驰、航顺、先楫、旗芯微、上海航芯、舆芯、芯擎、中科海芯、中微半导体、辉芒微、极海、曦华等。

 

3.2、AFE芯片（模拟前端芯片）：实现电池信息采集、状态监测等功能

 

AFE（模拟前端，Analog Front End）是包含传感器接口、模拟信号调理 （Conditioning，包括阻抗变换、程控增益放大、滤波和极性转换等）电路、模拟多路开关、采样保持器、ADC、数据缓存以及控制逻辑等部件的集成组件。有些AFE还带有MCU、DAC和多种驱动电路。

 

 

图9、亚德诺典型12节BMIC-AFE芯片电路图

 

AFE原厂有亚德诺、德州仪器、意法半导体、松下、恩智浦、瑞萨、微芯、MPS、比亚迪半导体、琪埔维、大唐恩智浦、矽力杰、芯海、圣邦、赛微微电、中颖、鹏申科技、杰华特、集澈、精工、凹凸、力芯微、希荻微、华泰半导体、芯祥科技等。

 

3.3、隔离电路：实现高低压模块间电气隔离

 

隔离器件实现高低压模块间的电气隔离，技术路线包括光耦隔离和数字隔离。隔离器件是可以将输入信号进行转换并输出，以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流将直接流到弱电电路，对电路及设备造成损害。另外，电气隔离去除了两个电路之间的接地环路，可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。高电压（强电）和低电压（弱电）之间信号传输的设备大都需要进行电气隔离并通过安规认证。

 

车规隔离器原厂有亚德诺、德州仪器、芯科、英飞凌、意法半导体、思佳讯 、埃戈罗、安森美、NVE、Vicor、东芝、纳芯微、智芯微、数明、格励微科技、荣湃、川土微、思瑞浦、华大半导体、精控、矽朋、瞻芯等。

 

3.4、ADC（模数转换器）：将模拟信号转换为数字量

 

在汽车上，温度传感器和压力传感器通常都采用模拟信号形式，会使用ADC将传感器信号转换成ECU可识别的二进制格式的数字信号。即：首先，这些传感器将温度和压力转换为一定范围内的电压信号；然后通过线束和接插件将电压信号传给ECU，最后ECU的ADC模块将电压信号转换为数字量。

 

车规ADC原厂有德州仪器、亚德诺、微芯、恩智浦、类比、圣邦、芯炽、思瑞浦、徴格、山海半导体、芯海、迅芯微、云芯、华泰半导体、芯动神州、贝岭、灵矽微、航天民芯等。

 

3.5、CAN总线收发器：实现CAN总线网络

 

CAN收发器是连接控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）控制系统与CAN总线网络的桥梁，是CAN控制器进行总线数据访问的物理接口，负责CAN控制器端数字信号和CAN总线上差分电平信号之间的转换，一般CAN收发器中也集成了数字隔离芯片，来实现高低压电气隔离。

 

CAN收发器芯片原厂有恩智浦、德州仪器、英飞凌、瑞萨、意法半导体、安森美、君正、芯力特、纳芯微、思瑞浦、川土微等。

 

3.6、电池均衡模块：提升电池续航时间和循环寿命

 

电池不均衡会影响电池续航时间和电池循环寿命。电池不均衡表现为多节电池串联时各节电池电压不相等，尤其在充电末端和放电末端时表现明显。当满充容量不同的电池配组串联在一起时，串联充电电流相同，但满充容量小的那个电池会先充到更高电压，从而表现为各节电池电压不相等。即使满充容量相同，但SOC不同的电池配组串联在一起时，SOC高的那节电池的电压偏高，从而表现为各节电池电压不相等。即使满充容量相同、SOC相同，但各节电池的内阻R不同，则在充放电时IR压差不同，也会导致电池端电压不同。此外，一些外部因素（比如电池组局部受温或个体电池之间热不均衡）也会导致个体电池老化速率不同从而内阻不均衡。最终都可能表现为各节电池电压不相等。

 

均衡电路主要包括主动均衡、被动均衡。主动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量转移给电量最少的那节电芯，或者转移给整串电池，实现能量回收。被动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量通过电阻发热消耗掉。


 

 

图10、亚德诺主动均衡电路框图（图源：ADI）

 

网上我们找到一款电动汽车BMS的BOM如下：


 

品牌	型号	描述
恩智浦(NXP)	MC9S12XEP100MAG	1颗16位主控MCU
芯成(ISSI)	IS25LP064	1款64Mbit SPI NOR Flash
微芯/爱特梅尔(MICROCHIP/ATMEL)	ATMLP73464	1款EERPOM
亚德诺/美信(ADI/MAXIM)	MAX17823B	1款12位SAR ADC，可以在161μs内测量12个电池电压和2种温度，BMS AFE
亚德诺/美信(ADI/MAXIM)	MAX17841B	1款汽车SPI通信接口(ASCI)，AFE桥接芯片
TDK	650J7N3	1款隔离变压器
亚德诺(ADI)	ADUM5401W	1款数字隔离芯片
亚德诺(ADI)	ADUM5000W	1款隔离DCDC电源芯片
英飞凌(INFINEON)	TLE8366EV50	1款电源DCDC芯片
英飞凌(INFINEON)	BTS724G	1款驱动芯片
德州仪器(TI)	INA2126	1款高精度运算放大器
迈来芯(MELEXIS)	MLX91208	1款250kHz可编程高速电流传感器
艾迈斯(AMS)	AS8510	1款电池传感用数据采集芯片
松下(PANASONIC)	V258HC8	1款光耦
恩智浦(NXP)	TJA1051	1颗CAN收发器芯片
恩智浦(NXP)	TJA1145	1颗CAN收发器芯片
威帆(WAVE)	SD2405API	1款实时时钟RTC
-	-	阻容感、连接器、接口、结构件和紧固件等等

 表1、某电动汽车BMS部分元器件
 

  汽车BMS里的芯片，除了MCU、AFE、ADC、阻容感等，所有元器件都需通过车规认证标准。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平台，过去数年已积累了车规芯片的优势货源。我们聚焦服务元器件长尾客户群，让每一家芯片原厂或分销商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，帮助工程师的方案选型、试样及采购，为电子产业供需略尽绵薄之力。