电动汽车的电池管理系统(BMS)技术解析

电动汽车 (BEV) 和插电式混合电动汽车 (PHEV) 依靠串联的锂离子电池，为牵引电机提供所需的充分电压。对于续航里程有限的轻度混合动力汽车而言，这些高电压 (HV) 电池组的电压范围可以从 48V 到大约 100V，而对于续航数百公里的电动汽车，电压范围最高可达数百伏。下一代电动汽车和卡车将使用 800V 或更高电压的电池组，以实现更长的续航里程而无需频繁充电，同时能够在几分钟内完成超快速充电（较高的电压意味着充电电流较低，因此电池散热量更少，电池也就能够接受更多的充电功率）。由于每个电动汽车电池单元在充满电时可以产生大约 3.7V 至 4.2V 的标称电压，因此一个 800V 电动汽车电池将需要大约 240 个串联的电池单元。

高电压(HV)电池组

出于实际考虑，最好将电动汽车的电池放在几个独立的电池包中，每个电池包包含 6 至 24 个电池单元。较小尺寸的电池包可以最大限度地利用不规则尺寸的电动汽车电池外壳中的可用空间，这样的电池舱能够适配典型的电动汽车。使用电池包还可以在选择并联/串联组合时提供更多自由度，以创建适用于不同牵引电机驱动器的不同电压/电流配置。此外，如果单个电池单元出现故障，则只会影响众多电池包中的一个，电动汽车的电池仍然可以正常工作。  

电池单元平衡

电池单元之间的电压和能量容量存在轻微差异，因此在为电动汽车充电时，如果简单地将所有电池单元串联起来，会造成电池单元间的不平衡，这样一来，有些电池单元可能已经充满电，而其他电池单元仍需更多电充满。电池单元如果过度充电，可能会过热，这可能会损坏电池单元和整个电池包。最坏的情况就是电池包可能会起火。为避免这种情况，使用电池单元监控 IC 来单独监控和控制充电（和放电）配置，确保所有电池单元在不受欠压、过电压或过温条件损害的情况下充分利用其容量。在充电过程中，可以绕过那些已充满电的单个电池单元，以便电池组中的其他电池单元可以继续充电。这种平衡过程会一直持续，直至所有电池单元都充满电，且电量相等。在放电过程中，同样的平衡电路可以确保所有电池单元均等放电。  

电池管理系统

电动汽车的电池包通过串联或并联的方式组合在一起，形成所需的电动汽车电池电压，并通过通信总线与中央电池管理系统 (BMS) 通信，该通信总线通常是汽车行业中普遍使用的 CAN 总线。BMS 监控整体高电压 (HV) 电池组的充电和放电情况，并计算电池组的充电状态 (SoC) 和健康状态 (SoH)。该系统还监控每个电池包的电流、电压和温度，以确保安全工作。随着高电压电池中电池单元数量的增加，需要收集和处理的数据量也在增加，但系统循环时间的要求保持不变。CAN 总线必须以高数据速率（高达 25 Mbps）和低传播延迟 (100 – 50ns) 运行。  

安全隔离

所有电动汽车都必须配备机械安全开关或接触器，以便在紧急情况下断开高电压电池连接。如果开关与电池的高电压输出串联放置，那么在故障情况下，电池组中的电池包之间可能仍会有足够的电流流动，从而引发火灾，因此通常将其放置在电池组中间。这种并不常见的布局（图 1）最大限度地提高了整体安全性，但需要隔离通信线路来确保电流无法通过数据总线连接绕过安全开关。

图 1: 带有隔离数据总线的电池组

通过隔离式DC/DC转换器提高容错能力

大多数电池单元平衡 IC 都包含一个内部电压稳压器，使用电池电压的同时为 IC 和数据通信端口的隔离侧供电，而 BMS 控制器则为非隔离侧供电（如图 1 中的红色线迹所示）。

然而，由于高电压电池组由许多以并联/串联配置排列的电池包组成，使用隔离型 CAN 总线收发器单独隔离每个电池串通信总线可以提高系统可靠性。在这种情况下，隔离型 CAN 总线侧也需要隔离电源（图 2）。

图 2: 并联电池组的独立隔离电源和总线连接

RECOM 提供了一款专为隔离总线收发器应用设计的隔离式 5 V 对 5 V 转换器模块，型号为 R05CTE05S。该模块采用紧凑型 16 SOIC SMD 封装，提供 1 W 的功率，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，非常适合安装在电池舱内。隔离等级为 3 kVDC/1 min，这意味着该模块可以轻松应对 800 V 或更高的电池组电压，并且随着电动汽车电池制造商不断寻求改进其产品，可适应未来任何新的电动汽车电池技术发展。为提高系统的容错能力，输出提供保护措施，可以防止连续短路、过电流和过温。欠压锁定功能意味着转换器只有在电源电压超过 3.3 V 时才会启动，避免了 BMS 系统在启动过程中发生数据损坏问题。  

通过隔离式DC/DC转换器节省成本

虽然市场上提供带有内置 DC/DC 转换器的隔离 CAN 总线收发器，但成本比非隔离式版本更昂贵，且可供选择的供应商也较少。将数字隔离器、DC/DC 转换器模块和非隔离式收发器组合使用，是一种构建隔离型 CAN 总线接口更为灵活且经济的方案（图 3）。虽然该解决方案需要使用更多元器件，但供应商的选择范围更广，总拥有成本 (TCO)也可以更低。

图 3: "离散”隔离型 CAN 总线接口解决方案

电动汽车车主经常问的一个问题是：“电动汽车电池能用多久？”电动汽车电池管理系统最重要的功能之一是通过平衡各个电池单元的充电和放电电流、绕过缺陷电池单元，并确保插电式电动汽车的电池组不会意外过度充电或经历十分严重的深度放电，从而延长电池组的使用寿命。每个电动汽车电池包中还内置了热敏电阻，以进行适当的电池散热管理，因为温度过高或过低的情况同样会严重影响电池寿命。然而，如果电动汽车电池与电池管理系统之间缺乏持续且可靠的通信，就无法保证电池的安全。因此，RECOM 的 RxxCTxx 系列产品中的隔离部分已经经过时间依赖性介电击穿 (TDDB) 测试，预计绝缘寿命超过 600 年。

审核编辑：汤梓红