本白皮書論述了電動汽車 (EV) 中有線和無線電池管理係統的設計注意事項。

 

內容概覽

 

1.電動汽車中的分布式電池管理係統 

 

電動汽車高壓電池組需要複雜的通信係統來傳輸電池電壓、溫度和其他診斷信息。

 

2.評估有線與無線解決方案 

 

高(gao)精(jing)度(du)電(dian)池(chi)監(jian)控(kong)器(qi)可(ke)通(tong)過(guo)有(you)線(xian)或(huo)無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)與(yu)主(zhu)機(ji)通(tong)信(xin)
，從(cong)而(er)傳(chuan)輸(shu)電(dian)池(chi)組(zu)相(xiang)關(guan)數(shu)據(ju)。這(zhe)裏(li)說(shuo)明(ming)了(le)分(fen)布(bu)式(shi)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)的(de)若(ruo)幹(gan)設(she)計(ji)注(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang)以(yi)及(ji)利(li)弊(bi)權(quan)衡(heng)。

 

3.在有線或無線環境中使用 TI 電池監控器 

 

TI 的專有電池管理係統 (BMS) 協議提供了可靠的高吞吐量
、低延遲通信方法
，適用於有線和無線 BMS 配置。

 

電動汽車中的分布式電池管理係統

 

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於 800V。這相當於在汽車底盤中串聯堆疊 100 個或更多的鋰離子電池。製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係統
，它通過在不同的印刷電路板 (PCB) 上連接多個高精度電池監控器，支持包含多節電池的電池組。

 

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 解決方案的區別在於
，後者使用無線通信接口
，而不是菊花鏈電纜。圖 1 展示了適用於 400V 至 800V 電動汽車的典型分布式電池組係統。

 

圖 1.分布式 BMS 示例。

 

圖 2.有線 BMS 示例。

 

在圖 1 中，有一個子係統包含主機 MCU，它通過控製器局域網總線與車輛的控製單元連接。然後 MCU 處理器驅動電池監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(tong)信(xin)，為(wei)了(le)支(zhi)持(chi)這(zhe)一(yi)需(xu)求(qiu)，可(ke)以(yi)添(tian)加(jia)任(ren)意(yi)數(shu)量(liang)的(de)電(dian)池(chi)監(jian)控(kong)器(qi)件(jian)
，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)池(chi)監(jian)控(kong)器(qi)支(zhi)持(chi)的(de)通(tong)道(dao)數(shu)量(liang)。係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)監(jian)控(kong)和(he)通(tong)信(xin)的(de)其(qi)他(ta)常(chang)見(jian)場(chang)景(jing)還(hai)有(you)，通(tong)過(guo)高(gao)壓(ya)繼(ji)電(dian)器(qi)控(kong)製(zhi)來(lai)確(que)保(bao)在(zai)不(bu)使(shi)用(yong)車(che)輛(liang)時(shi)安(an)全(quan)地(di)斷(duan)開(kai)高(gao)壓(ya)，以(yi)及(ji)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)來(lai)計(ji)算(suan)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)和(he)了(le)解(jie)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)。

 

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控器件的通信接口。兩個示例都使用了 BQ796xx 係列監控器。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 和單節電池監測單元 (CMU) 上其他BQ796xx 監測器件
，而 CMU 與實物電池連接。這些 CMU 通tong過guo雙shuang絞jiao線xian菊ju花hua鏈lian電dian纜lan在zai每mei個ge電dian池chi監jian控kong器qi件jian的de高gao側ce和he低di側ce互hu聯lian，也ye可ke使shi用yong環huan形xing電dian纜lan，在zai電dian纜lan斷duan開kai時shi向xiang任ren一yi方fang向xiang傳chuan輸shu數shu據ju。有you線xian解jie決jue方fang案an需xu要yao在zai菊ju花hua鏈lian電dian纜lan的de任ren一yi端duan添tian加jia隔ge離li元yuan件jian，用yong來lai確que保bao在zai高gao噪zao聲sheng環huan境jing中zhong可ke靠kao通tong信xin，並bing承cheng受shou嚴yan格ge的de汽qi車che電dian磁ci幹gan擾rao (EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 限製。

 

無線解決方案使用無線接口

，通過無線收發器器件
，將通用異步接收器/發送器 (UART) 數據從電池監控器傳輸到主機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點，表示 CMU 利用一個額外器件將單節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別在於
，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(ke)能(neng)有(you)人(ren)會(hui)發(fa)現(xian)，與(yu)使(shi)用(yong)電(dian)纜(lan)相(xiang)比(bi)

，添(tian)加(jia)額(e)外(wai)器(qi)件(jian)會(hui)提(ti)高(gao)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)成(cheng)本(ben)，但(dan)考(kao)慮(lv)到(dao)電(dian)纜(lan)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)重(zhong)量(liang)
，以(yi)及(ji)還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)接(jie)口(kou)任(ren)一(yi)側(ce)放(fang)置(zhi)高(gao)性(xing)能(neng)隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)來(lai)確(que)保(bao)通(tong)信(xin)穩(wen)定(ding)，添(tian)加(jia)額(e)外(wai)器(qi)件(jian)是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)。表(biao) 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製

，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製
，高共模電壓是由車輛環境中典型的嘈雜情況導致的。每字節以 2MHz（每脈衝 250ns，或每對 500ns）傳輸。如圖 4 所示
，兩個字節之間的傳輸時間取決於 UART 波特率（正常運行狀態下為 1Mbps），但字節傳輸時間始終相同。

 

圖 4.BQ796xx 字節級通信。

 

有線接口可支持電容或電感隔離，在嚴格的汽車 EMC/EMI 規格範圍內實現穩健性。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製造商開發下一代電動汽車的要求

，TI 基於在 2.4GHz 頻段中運行的低功耗 Bluetooth®技術，編製了專有無線 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 係統目標。

 

兩種協議的主要區別在於，菊花鏈雙絞線接線在 MCU 和頂層監測器之間傳輸信號
；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。兩種解決方案的規格都有助於汽車係統快速


、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境
，並使係統能夠靈活改變電池組中的電池模塊配置。BQ7961x-Q1 係列產品可支持係統根據需要采用有線或無線通信。

 

 

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