【導讀】隨著人們對電動汽車 (EV) 的需求持續(xù)高漲，制造商開始關注如何通過既安全又具有成本效益的方式來提高汽車性能。其中，制造商尤為關注如何改進電池管理系統(tǒng)，這是因為該系統(tǒng)能實時監(jiān)控電動汽車中每個電池的性能。電動汽車的微控制器 (MCU) 可有效地監(jiān)控每個電池，從而確保所有電池正常運行，并實現負載共享均衡。本白皮書論述了有線和無線 BMS解決方案的區(qū)別，可幫您選擇適合電動汽車設計的出色方案。
本白皮書論述了電動汽車 (EV) 中有線和無線電池管理系統(tǒng)的設計注意事項。
內容概覽
1.電動汽車中的分布式電池管理系統(tǒng)
電動汽車高壓電池組需要復雜的通信系統(tǒng)來傳輸電池電壓、溫度和其他診斷信息。
2.評估有線與無線解決方案
高精度電池監(jiān)控器可通過有線或無線方式與主機通信，從而傳輸電池組相關數據。這里說明了分布式電池系統(tǒng)的若干設計注意事項以及利弊權衡。
3.在有線或無線環(huán)境中使用 TI 電池監(jiān)控器
TI 的專有電池管理系統(tǒng) (BMS) 協議提供了可靠的高吞吐量、低延遲通信方法，適用于有線和無線 BMS 配置。
電動汽車中的分布式電池管理系統(tǒng)
在電動汽車應用中，為了滿足交流電機負載的嚴苛要求，內部電池組電壓不低于 800V。這相當于在汽車底盤中串聯堆疊 100 個或更多的鋰離子電池。制造商急需對高壓電池組應用更為先進的技術，從而以安全、及時和可靠的方式報告電池診斷信息。一種常見的設計方法是采用分布式電池組系統(tǒng)，它通過在不同的印刷電路板 (PCB) 上連接多個高精度電池監(jiān)控器，支持包含多節(jié)電池的電池組。
在有線 BMS 解決方案中，利用雙絞線電纜以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器，可傳輸從每個電池模塊采集的數據。有線和無線 BMS 解決方案的區(qū)別在于，后者使用無線通信接口，而不是菊花鏈電纜。圖 1 展示了適用于 400V 至 800V 電動汽車的典型分布式電池組系統(tǒng)。
圖 1.分布式 BMS 示例。
圖 2.有線 BMS 示例。
在圖 1 中，有一個子系統(tǒng)包含主機 MCU，它通過控制器局域網總線與車輛的控制單元連接。然后 MCU 處理器驅動電池監(jiān)控器件連接到電池模塊，用來感應電壓和溫度。所有高壓電池組均需要快速與主機 MCU 通信，為了支持這一需求，可以添加任意數量的電池監(jiān)控器件，具體取決于電池監(jiān)控器支持的通道數量。系統(tǒng)需要監(jiān)控和通信的其他常見場景還有，通過高壓繼電器控制來確保在不使用車輛時安全地斷開高壓，以及通過電流感應來計算充電狀態(tài)和了解電池組的運行狀況。
有線與無線 BMS 的注意事項
本文重點介紹了電池組與主機 MCU 中連接的每個電池監(jiān)控器件的通信接口。兩個示例都使用了 BQ796xx 系列監(jiān)控器。典型的有線解決方案利用雙絞線電纜在電池模塊之間以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器。無線通信方法使用 CC2642R-Q1 無線 MCU 來傳輸數據。
在圖 2 中，左側顯示了有線解決方案的電池管理或監(jiān)測單元(BMU) 板，其中包括主機 MCU 和 BQ79600-Q1 通信橋接器件。此 BMU 連接 MCU 和單節(jié)電池監(jiān)測單元 (CMU) 上其他BQ796xx 監(jiān)測器件，而 CMU 與實物電池連接。這些 CMU 通過雙絞線菊花鏈電纜在每個電池監(jiān)控器件的高側和低側互聯，也可使用環(huán)形電纜，在電纜斷開時向任一方向傳輸數據。有線解決方案需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件，用來確保在高噪聲環(huán)境中可靠通信，并承受嚴格的汽車電磁干擾 (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 限制。
無線解決方案使用無線接口，通過無線收發(fā)器器件，將通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 數據從電池監(jiān)控器傳輸到主機MCU。
圖 3 使用比圖 1 更簡單的方式表示 CMU，但添加了一個無線接收器節(jié)點，表示 CMU 利用一個額外器件將單節(jié)電池的數據以無線方式傳輸回主機。這樣可將圖 2 中顯示的兩個 CMU 正常隔離。
圖 3.無線 BMS 示例。
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線解決方案中每個 BMU 上的 CC2642R-Q1 器件。
可能有人會發(fā)現，與使用電纜相比，添加額外器件會提高復雜性和成本，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放置高性能隔離元件來確保通信穩(wěn)定，添加額外器件是可以接受的。表 1 概述了有線和無線電池管理解決方案的其他注意事項。
表 1. 有線與無線 BMS 的注意事項。
TI 的有線與無線 BMS 協議
如果深入研究兩種解決方案使用的 TI 協議，就會發(fā)現有線解決方案使用的是差分、雙向和半雙工接口，所以在高側和低側通信接口均有變送器 (TX) 和接收器 (RX)，默認情況下可從低側到高側傳送信息。這些 TX 和 RX 功能由硬件根據器件的基站或堆棧檢測自動進行控制，數據在傳輸到每個模塊時會重新計時。BQ796xx 器件的 RX 拓撲與 RS-485 類似，但增加了衰減高共模電壓的設計機制，高共模電壓是由車輛環(huán)境中典型的嘈雜情況導致的。每字節(jié)以 2MHz（每脈沖 250ns，或每對 500ns）傳輸。如圖 4 所示，兩個字節(jié)之間的傳輸時間取決于 UART 波特率（正常運行狀態(tài)下為 1Mbps），但字節(jié)傳輸時間始終相同。
圖 4.BQ796xx 字節(jié)級通信。
有線接口可支持電容或電感隔離，在嚴格的汽車 EMC/EMI 規(guī)格范圍內實現穩(wěn)健性。圖 5 展示了使用電容器和扼流圈的示例。您可以設計每個電池監(jiān)測 PCB 之間的電路，而且可堆疊多達 64 個器件，為大小不同的車輛電池模塊提供支持。
圖 5.有線隔離式電路示例。
為了滿足一級供應商和原始設備制造商開發(fā)下一代電動汽車的要求，TI 基于在 2.4GHz 頻段中運行的低功耗 Bluetooth®技術，編制了專有無線 BMS 協議。表 2 列出了 TI 無線 BMS 協議的功能，包括每個中央單元可支持多達 32 個節(jié)點的星型網絡配置；能夠提供高吞吐量、低延遲的數據傳輸；以及使用符合功能安全標準的協議。
表 2.TI 的無線 BMS 系統(tǒng)目標。
兩種協議的主要區(qū)別在于，菊花鏈雙絞線接線在 MCU 和頂層監(jiān)測器之間傳輸信號；而在無線星型網絡配置中，每個模塊可與主機處理器獨立通信。兩種解決方案的規(guī)格都有助于汽車系統(tǒng)快速、安全、可靠地提供大量電池組相關數據。
結束語
要對電動汽車高壓電池組提供安全、可靠的低成本解決方案，需要采用高標準的通信協議來承受高噪聲環(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 系列產品可支持系統(tǒng)根據需要采用有線或無線通信。
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