【導(dǎo)讀】隨著人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的需求持續(xù)高漲，制造商開(kāi)始關(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(chē)性能。其中，制造商尤為關(guān)注如何改進(jìn)電池管理系統(tǒng)，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)汽車(chē)中每個(gè)電池的性能。電動(dòng)汽車(chē)的微控制器 (MCU) 可有效地監(jiān)控每個(gè)電池，從而確保所有電池正常運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)負(fù)載共享均衡。本白皮書(shū)論述了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn) BMS解決方案的區(qū)別，可幫您選擇適合電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的出色方案。
本白皮書(shū)論述了電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
內(nèi)容概覽
1.電動(dòng)汽車(chē)中的分布式電池管理系統(tǒng)
電動(dòng)汽車(chē)高壓電池組需要復(fù)雜的通信系統(tǒng)來(lái)傳輸電池電壓、溫度和其他診斷信息。
2.評(píng)估有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)解決方案
高精度電池監(jiān)控器可通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式與主機(jī)通信，從而傳輸電池組相關(guān)數(shù)據(jù)。這里說(shuō)明了分布式電池系統(tǒng)的若干設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)以及利弊權(quán)衡。
3.在有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)環(huán)境中使用 TI 電池監(jiān)控器
TI 的專(zhuān)有電池管理系統(tǒng) (BMS) 協(xié)議提供了可靠的高吞吐量、低延遲通信方法，適用于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn) BMS 配置。
電動(dòng)汽車(chē)中的分布式電池管理系統(tǒng)
在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，為了滿(mǎn)足交流電機(jī)負(fù)載的嚴(yán)苛要求，內(nèi)部電池組電壓不低于 800V。這相當(dāng)于在汽車(chē)底盤(pán)中串聯(lián)堆疊 100 個(gè)或更多的鋰離子電池。制造商急需對(duì)高壓電池組應(yīng)用更為先進(jìn)的技術(shù)，從而以安全、及時(shí)和可靠的方式報(bào)告電池診斷信息。一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是采用分布式電池組系統(tǒng)，它通過(guò)在不同的印刷電路板 (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。
在有線(xiàn) BMS 解決方案中，利用雙絞線(xiàn)電纜以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器，可傳輸從每個(gè)電池模塊采集的數(shù)據(jù)。有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn) BMS 解決方案的區(qū)別在于，后者使用無(wú)線(xiàn)通信接口，而不是菊花鏈電纜。圖 1 展示了適用于 400V 至 800V 電動(dòng)汽車(chē)的典型分布式電池組系統(tǒng)。
圖 1.分布式 BMS 示例。
圖 2.有線(xiàn) BMS 示例。
在圖 1 中，有一個(gè)子系統(tǒng)包含主機(jī) MCU，它通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)與車(chē)輛的控制單元連接。然后 MCU 處理器驅(qū)動(dòng)電池監(jiān)控器件連接到電池模塊，用來(lái)感應(yīng)電壓和溫度。所有高壓電池組均需要快速與主機(jī) MCU 通信，為了支持這一需求，可以添加任意數(shù)量的電池監(jiān)控器件，具體取決于電池監(jiān)控器支持的通道數(shù)量。系統(tǒng)需要監(jiān)控和通信的其他常見(jiàn)場(chǎng)景還有，通過(guò)高壓繼電器控制來(lái)確保在不使用車(chē)輛時(shí)安全地?cái)嚅_(kāi)高壓，以及通過(guò)電流感應(yīng)來(lái)計(jì)算充電狀態(tài)和了解電池組的運(yùn)行狀況。
有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn) BMS 的注意事項(xiàng)
本文重點(diǎn)介紹了電池組與主機(jī) MCU 中連接的每個(gè)電池監(jiān)控器件的通信接口。兩個(gè)示例都使用了 BQ796xx 系列監(jiān)控器。典型的有線(xiàn)解決方案利用雙絞線(xiàn)電纜在電池模塊之間以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器。無(wú)線(xiàn)通信方法使用 CC2642R-Q1 無(wú)線(xiàn) MCU 來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
在圖 2 中，左側(cè)顯示了有線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?chē)?yán)格的汽車(chē)電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 限制。
無(wú)線(xiàn)解決方案使用無(wú)線(xiàn)接口，通過(guò)無(wú)線(xiàn)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。
圖 3 使用比圖 1 更簡(jiǎn)單的方式表示 CMU，但添加了一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收器節(jié)點(diǎn)，表示 CMU 利用一個(gè)額外器件將單節(jié)電池的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式傳輸回主機(jī)。這樣可將圖 2 中顯示的兩個(gè) CMU 正常隔離。
圖 3.無(wú)線(xiàn) BMS 示例。
兩種解決方案之間的重要區(qū)別在于，有線(xiàn)解決方案中的雙絞線(xiàn)電纜被替換為無(wú)線(xiàn)解決方案中每個(gè) BMU 上的 CC2642R-Q1 器件。
可能有人會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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。表 1 概述了有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電池管理解決方案的其他注意事項(xiàng)。
表 1. 有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn) BMS 的注意事項(xiàng)。
TI 的有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn) BMS 協(xié)議
如果深入研究?jī)煞N解決方案使用的 TI 協(xié)議，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有線(xiàn)解決方案使用的是差分、雙向和半雙工接口，所以在高側(cè)和低側(cè)通信接口均有變送器 (TX) 和接收器 (RX)，默認(rèn)情況下可從低側(cè)到高側(cè)傳送信息。這些 TX 和 RX 功能由硬件根據(jù)器件的基站或堆棧檢測(cè)自動(dòng)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)矫總€(gè)模塊時(shí)會(huì)重新計(jì)時(shí)。BQ796xx 器件的 RX 拓?fù)渑c RS-485 類(lèi)似，但增加了衰減高共模電壓的設(shè)計(jì)機(jī)制，高共模電壓是由車(chē)輛環(huán)境中典型的嘈雜情況導(dǎo)致的。每字節(jié)以 2MHz（每脈沖 250ns，或每對(duì) 500ns）傳輸。如圖 4 所示，兩個(gè)字節(jié)之間的傳輸時(shí)間取決于 UART 波特率（正常運(yùn)行狀態(tài)下為 1Mbps），但字節(jié)傳輸時(shí)間始終相同。
圖 4.BQ796xx 字節(jié)級(jí)通信。
有線(xiàn)接口可支持電容或電感隔離，在嚴(yán)格的汽車(chē) EMC/EMI 規(guī)格范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性。圖 5 展示了使用電容器和扼流圈的示例。您可以設(shè)計(jì)每個(gè)電池監(jiān)測(cè) PCB 之間的電路，而且可堆疊多達(dá) 64 個(gè)器件，為大小不同的車(chē)輛電池模塊提供支持。
圖 5.有線(xiàn)隔離式電路示例。
為了滿(mǎn)足一級(jí)供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)下一代電動(dòng)汽車(chē)的要求，TI 基于在 2.4GHz 頻段中運(yùn)行的低功耗 Bluetooth®技術(shù)，編制了專(zhuān)有無(wú)線(xiàn) BMS 協(xié)議。表 2 列出了 TI 無(wú)線(xiàn) BMS 協(xié)議的功能，包括每個(gè)中央單元可支持多達(dá) 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)配置；能夠提供高吞吐量、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸；以及使用符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。
表 2.TI 的無(wú)線(xiàn) BMS 系統(tǒng)目標(biāo)。
兩種協(xié)議的主要區(qū)別在于，菊花鏈雙絞線(xiàn)接線(xiàn)在 MCU 和頂層監(jiān)測(cè)器之間傳輸信號(hào)；而在無(wú)線(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)配置中，每個(gè)模塊可與主機(jī)處理器獨(dú)立通信。兩種解決方案的規(guī)格都有助于汽車(chē)系統(tǒng)快速、安全、可靠地提供大量電池組相關(guān)數(shù)據(jù)。
結(jié)束語(yǔ)
要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高壓電池組提供安全、可靠的低成本解決方案，需要采用高標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議來(lái)承受高噪聲環(huán)境，并使系統(tǒng)能夠靈活改變電池組中的電池模塊配置。BQ7961x-Q1 系列產(chǎn)品可支持系統(tǒng)根據(jù)需要采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信。
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