電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/程文智）近年來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)都出臺(tái)了“碳中和”的政策目標(biāo)。聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)古特雷斯甚至希望能在2050年之前，全球都實(shí)現(xiàn)“碳中和”?！疤贾泻汀敝傅氖敲磕甑亩趸寂欧帕颗c減排量互相抵消，為零排放。

為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，目前大部分國(guó)家的共識(shí)是希望通過(guò)大多數(shù)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的電氣化，來(lái)減少碳排放。因此，現(xiàn)在電動(dòng)汽車（EV）大行其道，多數(shù)國(guó)家都在大力推行汽車電動(dòng)化計(jì)劃。據(jù)Marklines統(tǒng)計(jì)，2020年全球電動(dòng)汽車的總銷量為289.24萬(wàn)輛，同比上升了45%。其中，中國(guó)區(qū)銷量最大，2020年全年銷售了120萬(wàn)輛，緊隨其后的是德國(guó)的40.4萬(wàn)輛和美國(guó)的32.4萬(wàn)輛。這其中特斯拉貢獻(xiàn)最大，全年售出了45.9萬(wàn)輛。

圖1：全球電動(dòng)汽車2020年12月及全年銷量統(tǒng)計(jì)（單位：輛）。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Marklines，東吳證券研究所）

有線BMS與無(wú)線BMS對(duì)比

目前在電動(dòng)汽車當(dāng)中，40%的成本來(lái)自電池，因此，電池的性能和壽命成為了電動(dòng)汽車品牌取得成功的關(guān)鍵因素。而電池管理系統(tǒng)，即BMS（Battery Management System），能夠密切監(jiān)視、控制和分配整個(gè)電池系統(tǒng)在使用壽命期間的可靠充電和放電，保證電池的安全性、耐久性和動(dòng)力性。

隨著人們對(duì)電動(dòng)汽車的需求越來(lái)越大，銷量越來(lái)越高，電動(dòng)汽車制造商越來(lái)越關(guān)注如何通過(guò)既安全又具有成本效益的方式來(lái)提高汽車性能。他們尤為關(guān)注如何改進(jìn)BMS，因?yàn)锽MS能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電動(dòng)汽車中每個(gè)電池的性能。

一輛電動(dòng)汽車中，往往有100個(gè)，甚至更多的鋰離子電池通過(guò)串并聯(lián)的方式連接后，來(lái)滿足汽車電機(jī)的負(fù)載要求，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車的內(nèi)部電池組電壓不低于800V。那么該使用什么技術(shù)來(lái)保證電池組的安全可靠，以及性能呢？答案就是BMS解決方案。

圖2：基礎(chǔ)的新能源汽車高壓電池模塊架構(gòu)。（來(lái)源:TI）

電池組組一般都多個(gè)電池模塊組成，每個(gè)電池模塊又包括多種傳感器、AFE(模擬前端)、主控/MCU、電流測(cè)量、以及充電/不充電開(kāi)關(guān)等部分。其中，AFE專指電池采樣芯片，用來(lái)采集電芯電壓和溫度等信息。同時(shí)，它還要支持電池的均衡功能，通常來(lái)說(shuō)芯片會(huì)集成被動(dòng)均衡功能。MCU主要是用來(lái)處理AFE收集來(lái)的信息，計(jì)算SOC、SOH等參數(shù)，并將這些信息傳送給上一級(jí)VCU。充電/不充電開(kāi)關(guān)由MCU控制，這個(gè)切換開(kāi)關(guān)一般使用繼電器，很少使用MOS管。

圖3：適用于400V 至 800V 電動(dòng)汽車的典型分布式電池組系統(tǒng)。

目前，新能源汽車中電池組的一種常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法是采用分布式電池組系統(tǒng)，通過(guò)在不同的PCB上連接多個(gè)高精度電池監(jiān)控器，支持包含多節(jié)電池的電池組。隨著技術(shù)的進(jìn)步，如今的BMS解決方案主要有兩種：有線BMS解決方案和無(wú)線BMS解決方案。

這兩者的主要不同在于，在有線BMS解決方案中，通常利用雙絞線電纜，以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器，以傳輸從每個(gè)電池模塊采集的數(shù)據(jù)；而無(wú)線BMS解決方案則是使用無(wú)線通信接口來(lái)傳輸這些數(shù)據(jù)。

圖4：有線BMS解決方案示例。

在圖4中，左側(cè)顯示了有線解決方案的電池管理或監(jiān)測(cè)單元(BMU) 板，其中包括主機(jī)MCU和BQ79600-Q1通信橋接器件。此BMU連接MCU和單節(jié)電池監(jiān)測(cè)單元(CMU)上其他BQ796xx監(jiān)測(cè)器件，而CMU與實(shí)物電池連接。這些CMU通過(guò)雙絞線菊花鏈電纜在每個(gè)電池監(jiān)控器件的高側(cè)和低側(cè)互聯(lián)，也可使用環(huán)形電纜，在電纜斷開(kāi)時(shí)向任一方向傳輸數(shù)據(jù)。有線解決方案需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件，用來(lái)確保在高噪聲環(huán)境中可靠通信，并承受嚴(yán)格的汽車電磁干擾(EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 限制。

圖5：無(wú)線BMS解決方案示例。（來(lái)源TI）

無(wú)線解決方案使用無(wú)線接口，通過(guò)無(wú)線收發(fā)器器件，將通用異步接收器/發(fā)送器(UART)數(shù)據(jù)從電池監(jiān)控器傳輸?shù)街鳈C(jī)MCU。

兩種解決方案之間的重要區(qū)別在于，有線解決方案中的雙絞線電纜被替換為無(wú)線解決方案中每個(gè)BMU上的CC2662R-Q1器件。

從圖5中可以看出，與使用電纜相比，添加額外器件會(huì)提高復(fù)雜性和成本，但考慮到電纜的成本和重量，以及還需要在雙絞線接口任一側(cè)放置高性能隔離元件來(lái)確保通信穩(wěn)定，添加額外器件是可以接受的。

圖6：有線BMS方案與無(wú)線BMS方案的有缺點(diǎn)對(duì)比。

圖：無(wú)線BMS方案。（來(lái)源：ADI）

目前無(wú)線BMS方案有TI的CC2642R-Q1、CC2662R-Q1，以及ADI的SmartMesh無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與其電池組監(jiān)視器的組合。

此外，2017年3月，英國(guó)一家名為Dukosi的BMS企業(yè)宣布融資200萬(wàn)英鎊用于無(wú)線BMS技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。該公司也是著眼于直接從電芯采集、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，向PACK層面實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，以降低PACK的復(fù)雜度，改善測(cè)量精度。不過(guò)到目前為止，在其官網(wǎng)上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他們有產(chǎn)品推出。

BMS方案的組成及供應(yīng)商

我們知道BMS方案中主要的用的芯片有AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等，目前有哪些廠商可以提供這些芯片呢?我們依次來(lái)看。

首先是AFE，其實(shí)在汽車BMS方案中，可供我們選擇的AFE并不多。其實(shí)目前市面上可以接觸到的AFE內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本都大同小異，最主要的不同點(diǎn)在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構(gòu)。

AFE的主要供應(yīng)商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產(chǎn)品線主要來(lái)自收購(gòu)的凌力爾特和美信，瑞薩的產(chǎn)品主要來(lái)自收購(gòu)來(lái)的Intersil。AFE產(chǎn)品的供應(yīng)商主要是國(guó)外的企業(yè)，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)看到有哪家廠商提供AFE芯片。

表2：AFE主要供應(yīng)商及產(chǎn)品型號(hào)。（來(lái)源：公司官網(wǎng)，公開(kāi)信息）

從MCU方面來(lái)看，供應(yīng)商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國(guó)內(nèi)也有不少M(fèi)CU廠商都在積極布局車規(guī)級(jí)產(chǎn)品，比如兆易創(chuàng)新、芯旺微、比亞迪、杰發(fā)科等等。

表3：MCU主要供應(yīng)商及產(chǎn)品型號(hào)。

在ADC方面，目前主要的供應(yīng)商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數(shù)是美國(guó)廠商，ST雖然有，但產(chǎn)品系列比較少。國(guó)內(nèi)可以提供車規(guī)級(jí)ADC的企業(yè)目前還沒(méi)發(fā)現(xiàn)。

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(yīng)商有ADI、TI、SiliconLabs等。當(dāng)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。

結(jié)語(yǔ)

高精度智能化的BMS解決方案可對(duì)電動(dòng)汽車的電池組進(jìn)行智能管理，提高電池的性能和使用壽命，同時(shí)保證電池的安全性、耐久性和動(dòng)力性，防止電動(dòng)汽車出現(xiàn)安全事故。不過(guò)目前可以選用的BMS方案器件大多來(lái)自國(guó)外廠商，國(guó)內(nèi)廠商可以提供的產(chǎn)品不多。希望未來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)器件進(jìn)入BMS解決方案中。