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電動汽車BMS主要芯片及廠商分析
發(fā)布時間:2024-01-22
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在電動汽車當中,40%的成本來自電池,后者就像是為電動汽車提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態(tài)達到最優(yōu)?


全靠電池管理系統(tǒng)BMS(battery management system),它在電池運作系統(tǒng)中充當 “電池保姆”的角色。它處理的信號足夠豐富,包括:電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。



一次過放電就會造成電池的永久性損壞,極端情況下鋰電池過熱或者過充電會導致熱失控、電池破裂甚至爆炸。所以,通過BMS能準確量測電池組使用狀況,保護電池不至于過度充放電,平衡電池組中每一顆電池的電量,以及分析計算電池組的電量并轉換為可理解的續(xù)航力信息,確保動力電池安全運作。


BMS中的主要芯片包括哪些?

AFE 模塊:實現(xiàn)電池信息采集、狀態(tài)監(jiān)測等功能


AFE(模擬前端,Analog Front End Front End)是包含傳感器接口、模擬信號調(diào)理 (Conditioning,包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉換等)電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數(shù)據(jù)緩存以及控制邏輯等部件的存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些 AFE 還帶有 MCU、DAC 和多種驅(qū)動電路和多種驅(qū)動電路。


電池均衡模塊:提升電池續(xù)航時間和循環(huán)壽命


電池不均衡會影響電池續(xù)航時間和電池循環(huán)壽命。電池不均衡表現(xiàn)為多節(jié)電池串聯(lián)時各節(jié)電池電壓不相等,尤其在充電末端和放電末端時表現(xiàn)明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯(lián)在 一起時,串聯(lián)充電電流相同,但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓,從而表現(xiàn)為各節(jié) 電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同,但 SOC 不同的電池配組串聯(lián)在一起時,SOC 高的 那節(jié)電池的電壓偏高,從而表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同、SOC 相同, 但各節(jié)電池的內(nèi)阻 R 不同,則在充放電時 IR 壓差不同,也會導致電池端電壓不同。此外,一些外部因素(比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡)也會導致個體電池老化速率 不同從而內(nèi)阻不均衡。最終都可能表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。


均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來的電量轉 移給電量最少的那節(jié)電芯,或者轉移給整串電池,實現(xiàn)能量回收。被動均衡是把電量最多的 那節(jié)電芯多出來的電量通過電阻發(fā)熱消耗掉。



計算單元(MCU 等):實現(xiàn)控制、計算等功能


MCU 作為計算平臺,需要滿足 AEC-Q100、ISO26262 等認證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統(tǒng)為例,MCU 起到繼電器控制、SOC/SOH 估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數(shù)據(jù) 收集、數(shù)據(jù)存儲等作用。相較于消費級和工業(yè)級 MCU,車規(guī)級 MCU 行業(yè)壁壘更高。車規(guī)級半導體對產(chǎn)品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長效性要求較高,研發(fā)難度較大:汽車行駛的外部溫差較大,對芯片的寬溫控制性能有較高要求;在產(chǎn)品壽命方面,整車設計壽命通常在 15 年及以上,遠高于消費電子產(chǎn)品的壽命需求;在失效率方面,整車 廠對車規(guī)級半導體的要求通常是零失效;在安全性方面,汽車電子的高功能安全標準給復雜 性日益增長的電子系統(tǒng)量產(chǎn)化 提供了足夠的安全保障。車規(guī)級半導體的供應周期需要覆蓋 整車的全生命周期,供應需要可靠、一致且穩(wěn)定,對企業(yè)供應鏈配臵和管理方面提出了較高要求。


隔離電路:實現(xiàn)高低壓模塊間電氣隔離


隔離器件實現(xiàn)高低壓模塊間的電氣隔離,技術路線包括光耦隔離和數(shù)字隔離。隔離器件是可 以將輸入信號進行轉換并輸出,以實現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離 能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸?shù)陌踩?,如果沒有進行電氣隔離,一旦發(fā)生故 障,強電電路的電流將直接流到弱電電路,對電路及設備造成損害。另外,電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環(huán)路,可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播,讓電子系統(tǒng)具有更高的 安全性和可靠性。高電壓(強電)和低電壓(弱電)之間信號傳輸?shù)脑O備大都需要進行電氣 隔離并通過安規(guī)認證。廣泛應用于信息通訊、電力電表、工業(yè)控制、電動汽車等各個領域。



BMS芯片主要廠商在歐美


在BMS芯片中,可供選擇的AFE并不多。我們能接觸到的AFE內(nèi)部結構大同小異,不同點在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構。


AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產(chǎn)品線主要來自收購的凌力爾特和美信(2019年,ADI收購凌力爾特后,和通用汽車等整車企業(yè)合作研發(fā)無線 BMS,推出了無線 BMS 系統(tǒng)與平臺,在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池數(shù)據(jù)并分析,使動力電池價值最大化),瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購來的Intersil。AFE產(chǎn)品的供應商主要是國外的企業(yè),國內(nèi)目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。

AFE主要供應商及產(chǎn)品型號


從MCU方面來看,供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內(nèi)也有很多MCU廠商都在積極布局車規(guī)級產(chǎn)品,如中穎電子、兆易創(chuàng)新、北京君正、芯海科技、國民技術、紫光國微、納思達、樂鑫科技、博通集成、復旦微電、上海貝嶺、晶豐明源等等。

MCU主要供應商及產(chǎn)品型號


在ADC方面,目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等,多數(shù)是美國廠商,ST雖然有,但產(chǎn)品系列比較少。國內(nèi)主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯??萍肌?br/>


在數(shù)字隔離方面,主要用在高低壓之間的數(shù)字通信,比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信,以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應商有ADI、TI、Silicon Labs等。當然,除了使用數(shù)字隔離器外,也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。


比較有代表性的BMS芯片


TI高精度電池監(jiān)控、平衡、保護器


汽車電氣化呈不可逆轉之勢快速發(fā)展,BMS系統(tǒng)成為首要核心問題。TI在電動汽車BMS領域頗有建樹,先后發(fā)布了符合ASIL D標準的有線BMS和無線BMS解決方案,領先業(yè)界。



BQ79614-Q1電路拓撲 圖源:TI


BQ79614-Q1是一款可應用與混合動力、純電動汽車BMS模塊高精度的電池監(jiān)控器、平衡器和保護器,可對電池溫度實時監(jiān)控,為避免過熱的情況出現(xiàn),能自主進行暫停和啟動操作。該芯片工作電壓為12V,可在128μS內(nèi)迅速為14塊電池進行高精度地電壓監(jiān)測。


BQ79614-Q1芯片內(nèi)部集成了前端濾波器和后置ADC低通濾波器。前端濾波器是為了降低成本,能夠在電池輸入電路上使用簡單、低壓的差分RC濾波器。ADC低通濾波器是為了對濾波后的直流電壓進行監(jiān)測,方便計算出電池的電荷狀態(tài)。在該芯片可用于外部熱敏電阻的測量BQ79614-Q1在通信方面可與BQ7600器件相連或直接通過UART接口與MCU完成通信。在通信線線路異常的情況下,MCU可以通過隔離式差分菊花鏈與電池組直接通信。


ST L9963E電池監(jiān)測保護芯片


意法半導體(ST)引領半導體市場多年,芯片應用橫跨多個領域,也成為了汽車芯片的主要供應商。在汽車領域,為滿足市場及設計需求,推出了L9963E電池監(jiān)測保護芯片,旨在解決全球包括中國電動汽車共同面臨的電池管理系統(tǒng)設計難題。新產(chǎn)品采用一個獨特的架構,能夠測量4到14個串聯(lián)電池單體,樣本信號之間解除同步?jīng)]有任何延遲,測試結果證明,雖然可以菊鏈式連接 31個L9963E,但是整鏈延遲仍然不到 4 s。

L9963E 的電壓測量準確度非常高,最大誤差為 ±2 mV,同時還能測量電流,了解每個電池單體的實際容量。此外,該產(chǎn)品的架構確保每個電池單體都有專門的資源用于處理芯片監(jiān)測到的電數(shù)據(jù),而市面同類產(chǎn)品通常在電池單體之間共享數(shù)據(jù)處理資源。通過為每個單體提供專用處理資源,我們可以提供同步讀數(shù),并可以避免因解除同步而引起的延遲。在菊鏈式網(wǎng)絡結構內(nèi),L9963E 還可以通過串行總線通信,帶寬達到2.66 Mbps,而業(yè)內(nèi)帶寬大多數(shù)都徘徊在 1 Mbps 左右。因此,讀取和處理 434 個電池單體需要 4 毫秒到 16 毫秒。

EVAL-L9963E-MCU


隨著電動汽車變得越便宜,成本制約因素變得越重要。功能強大但價格太高的芯片會失去大部分吸引力。與眾不同的是,L9963E提供豐富的功能,但是沒有增加裸片尺寸,繼續(xù)保持成本效益。此外,傳統(tǒng)的 BMS芯片要求每個電池單體必須并聯(lián)一個外部齊納二極管。在組裝過程中,系統(tǒng)無法知道哪個電池單體第一個接觸連接器,而且,這始終是一個隨機事件,因此,每個電池單體上的齊納二極管都要保護電池管理芯片。L9963E采用熱插拔和穩(wěn)健架構,工程師可以不用這些齊納二極管,從而簡化了印刷電路板布局,降低了總體成本。


ADI 12路電池監(jiān)視器


據(jù)ADI官網(wǎng)顯示,早在2008年就推出了第一款集成式高壓電池堆棧監(jiān)控器,至今已經(jīng)迭代更新到第四代,第五代產(chǎn)品還在研發(fā)階段。

LTC6811-1框架圖 圖源:ADI


LTC6811-1是ADI的第四代BMS IC,是一款電池組監(jiān)視器,最高可對12個串聯(lián)電池進行電壓檢測,測量精度比ST L9963更高,總測量誤差小于1.2mV,完成12節(jié)的電池檢測僅需290μs。LTC6811-1可將多節(jié)電池串聯(lián)起來,因此該芯片可在高電壓的電池串中完成電池狀態(tài)實時監(jiān)測。該芯片給還具有ISOSPI接口,可實現(xiàn)與器件之間高速的遠程通信。LTC6811-1能將12組電池通過菊花鏈連接,實現(xiàn)多通道通信的功能,監(jiān)測電池狀態(tài),并根據(jù)電池當前狀態(tài)進行暫停和啟動操作,該芯片采用隔離式電源供電。


英飛凌 多通道電池監(jiān)控和均衡系統(tǒng) IC


英飛凌推出的電池管理IC包括 TLE9012DQU 和 TLE9015DQU 兩個型號,為電池監(jiān)控和均衡提供經(jīng)過優(yōu)化的解決方案。新電池管理IC可實現(xiàn)更高的測量精度與卓越的應用魯棒性,為電池模塊、無模組電池技術及電池底盤一體化技術的電池拓撲結構提供系統(tǒng)解決方案,可讓汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)解決方案能夠達到汽車功能安全最高等級ASIL-D的要求,并符合ISO26262標準。

英飛凌的這套IC產(chǎn)品適用于工業(yè)級、消費級和汽車級應用,如輕度混合動力電動汽車(MHEV)、混合動力電動汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和純電動汽車(BEV),以及儲能系統(tǒng)、兩輪和三輪電動車的電池管理系統(tǒng)等應用,該IC系列產(chǎn)品包括TLE9012DQU和TLE9015DQU兩個型號。


其中,TLE9012DQU是一款多通道電池監(jiān)控和均衡系統(tǒng)芯片,能夠進行高度精確的電壓測量,以便估算電池充電狀態(tài)(SoC)和電池健康狀態(tài)(SoH),這也是所有電池管理系統(tǒng)都必須滿足的關鍵要求。


TLE9015DQU是一款電池監(jiān)控收發(fā)器芯片,用于將鋰電池里的多個TLE9012AQU以菊花鏈結構連接起來。通過兩對UART和iso UART接口可支持環(huán)型通信,降低成本并提高系統(tǒng)的效率。通過集成故障管理單元,該模塊還可實現(xiàn)雙向信息流。


國產(chǎn)BMS芯片怎么樣了?


目前國內(nèi)BMS芯片市場規(guī)模為每年數(shù)十億顆,其中來自國內(nèi)品牌的份額僅有兩成,能夠用于電動汽車的更是少之又少。大多被國外廠商所壟斷,國內(nèi)的BMS企業(yè)僅僅在此基礎上進行二次開發(fā),包括硬件設計、軟件的搭建。

不過,國內(nèi)的半導體企業(yè)已經(jīng)在BMS芯片領域有所布局,受新冠影響,2020 年全球 BMS 市場規(guī)模增速下降,但我國 BMS 市場仍占據(jù)重要地位,據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,2020 年我國 BMS 市場需求規(guī)模為 97 億元。未來隨著電動汽車市場規(guī)模擴 大和電池效率要求提高,BMS 市場規(guī)模有望實現(xiàn)穩(wěn)定增長,據(jù) Business Wire 估計、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理,2021 年全球 BMS 市場規(guī)模預計為 65.12 億美元,至 2026 年預計可達 131 億美元,CAGR 為 15%。據(jù) Mordor Intelligence,2024 年全球電池管理芯片市場規(guī)模預計 達 93 億美元,市場空間廣闊。


電動汽車的廢舊電池去哪了?


我國電動汽車銷量自2015年開始放量,隨著保有量不斷增長,截至2022年3月底,全國電動汽車保有量達891.5萬輛,占汽車總量的2.90%。

雖然BMS芯片在不斷的升級換代,能夠更好的優(yōu)化電池性能,延長電池壽命,可一旦動力電池的容量衰減到80%就必須更換新電池。隨著電動汽車近年來的發(fā)展,動力電池退役的數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢。

2020年,國內(nèi)累計退役動力電池超過20萬噸,2021年,該數(shù)字約為32萬噸,同比增長60%。業(yè)內(nèi)預計,未來2-3年內(nèi)動力電池將迎來大規(guī)模退役潮。到2025年后,每年退役電池數(shù)量增長將達百萬量級。

退役電池如何處理,成為電動汽車產(chǎn)業(yè)迫在眉睫的發(fā)展難題。據(jù)統(tǒng)計,目前我國的動力電池回收率僅在10%左右,因此,廢舊動力電池的回收利用需求漸顯迫切。

工業(yè)和信息化部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務部、市場監(jiān)管總局近日聯(lián)合印發(fā)了《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》(以下簡稱《辦法》)。該《辦法》提出,鼓勵梯次利用企業(yè)與電動汽車生產(chǎn)、動力蓄電池生產(chǎn)及報廢機動車回收拆解等企業(yè)協(xié)議合作,加強信息共享,利用已有回收渠道,高效回收廢舊動力蓄電池用于梯次利用。鼓勵動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)參與廢舊動力蓄電池回收及梯次利用。

6月17日,生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合發(fā)布《減污降碳協(xié)同增效實施方案》明確,推動能源供給體系清潔化低碳化和終端能源消費電氣化,到 2030 年,大氣污染防治重點區(qū)域電動汽車新車銷量達汽車新車銷量 50%左右。其中,提到“推進退役動力電池、光伏組件、風電機組葉片等新型廢棄物回收利用”。

據(jù)了解,動力電池回收主要有兩大方向——梯次利用、再生利用。在退役的動力電池容量處于20%-80%區(qū)間時,梯次利用是首選。當電池容量降至20%及以下,不具備梯次利用價值時,則可以再生利用。

歐洲、美國、日本等國較早發(fā)展電動汽車的國家與地區(qū),已經(jīng)建立起較為完善的動力電池回收體系,同時,越來越多的車企和設備公司開始把退役電池作為儲能設備,為儲能系統(tǒng)提供支持。大眾汽車旗下的斯柯達,雷諾和日產(chǎn)等車企紛紛通過與能源公司合作,讓退役電池在儲能方面發(fā)揮著“余熱”。





注:文章來源及版權屬于電力電子技術與新能源論壇,捷邁科技僅作轉載分享。


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