【導讀】電動汽車高壓電池管理係統 (BMS) 技(ji)術(shu)正(zheng)在(zai)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)正(zheng)在(zai)測(ce)試(shi)各(ge)種(zhong)新(xin)架(jia)構(gou)，以(yi)增(zeng)加(jia)單(dan)次(ci)充(chong)電(dian)的(de)裏(li)程(cheng)，並(bing)縮(suo)短(duan)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)。本(ben)白(bai)皮(pi)書(shu)對(dui)使(shi)用(yong)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)了(le)評(ping)估(gu)
，評(ping)估(gu)涉(she)及(ji)多(duo)個(ge)組(zu)件(jian)的(de)更(geng)嚴(yan)格(ge)要(yao)求(qiu)、不斷增加的係統複雜性及其對功能安全的影響。

麵臨這些挑戰，原始設備製造商 (OEM) 開始探索可切換的新型2 x 400V / 800V架構。它可實現快速充電
，並複用現有係統解決方案 (如牽引逆變器)
，為BMS開發人員和最終用戶提供兩全其美的解決方案。

使用800V架構的動機

通往快速充電之路

長久以來，有限的裏程和較長的充電時間一直被認為是電動汽車 (EV) 普pu及ji過guo程cheng中zhong的de兩liang大da挑tiao戰zhan。新xin型xing電dian池chi化hua學xue材cai料liao和he智zhi能neng電dian池chi管guan理li係xi統tong在zai擴kuo大da行xing駛shi裏li程cheng方fang麵mian取qu得de了le很hen大da成cheng效xiao。然ran而er，充chong電dian速su度du仍reng是shi個ge問wen題ti
，尤you其qi是shi在zai長chang途tu旅lv行xing或huo時shi間jian緊jin迫po的de時shi候hou。

直流快速充電器隻需30至45分鍾即可將電池充至80%dedianliang。jinguanshiyonggenggaodegonglvkejiakuaicheliangdechongdiansudu，danzheyehuichanshengdaliangdereliang。dangdiannengtongguodianlancongchongdianzhuangjinruqichedianchishi
，neizhidianzuzaigaodianliudaotongxiahuiwendushangsheng。yinci，duiyudianxingde400V EV電(dian)池(chi)，充(chong)電(dian)速(su)率(lv)受(shou)多(duo)個(ge)因(yin)素(su)的(de)限(xian)製(zhi)，比(bi)如(ru)傳(chuan)輸(shu)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)纜(lan)橫(heng)截(jie)麵(mian)積(ji)或(huo)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)溫(wen)度(du)。一(yi)些(xie)直(zhi)流(liu)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)樁(zhuang)會(hui)對(dui)電(dian)纜(lan)進(jin)行(xing)液(ye)體(ti)冷(leng)卻(que)
，以(yi)控(kong)製(zhi)由(you)於(yu)I2R功耗導致的溫度上升。因此，通過增加電壓而非電流來提高輸出功率似乎很合理。

高功率輸出

保時捷Taycan EV是第一款由大型汽車廠商製造的量產級高壓汽車
，其係統電壓為800V
，而非常見的400V。保時捷在發布這款汽車時表示，將電池電壓增加一倍可實現穩定的高性能，縮短充電時間，並減少電纜的重量和安裝空間。350kW三級超快速充電樁可在短短的15分鍾內將電池充至80%的電量。然而
，800V EV設計要求對所有電氣係統進行新的考量，同時對與電池管理係統明顯相關的幾個組件提出了更嚴格的要求。

使用更高電壓的結果

更多接觸器，更高規格

與(yu)內(nei)燃(ran)機(ji)車(che)中(zhong)的(de)點(dian)火(huo)開(kai)關(guan)功(gong)能(neng)一(yi)樣(yang)，主(zhu)要(yao)接(jie)觸(chu)器(qi)會(hui)在(zai)車(che)輛(liang)停(ting)止(zhi)時(shi)，對(dui)電(dian)池(chi)和(he)牽(qian)引(yin)逆(ni)變(bian)器(qi)進(jin)行(xing)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)，並(bing)在(zai)車(che)輛(liang)啟(qi)動(dong)時(shi)將(jiang)兩(liang)者(zhe)重(zhong)新(xin)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。獨(du)立(li)接(jie)觸(chu)器(qi)可(ke)在(zai)電(dian)池(chi)與(yu)直(zhi)流(liu)鏈(lian)路(lu)和(he)充(chong)電(dian)器(qi)總(zong)線(xian)之(zhi)間(jian)建(jian)立(li)連(lian)接(jie)和(he)斷(duan)開(kai)連(lian)接(jie)，一(yi)條(tiao)總(zong)線(xian)位(wei)於(yu)正(zheng)供(gong)電(dian)軌(gui)上(shang)，另(ling)一(yi)條(tiao)位(wei)於(yu)負(fu)供(gong)電(dian)軌(gui)上(shang)。使(shi)用(yong)額(e)外(wai)的(de)直(zhi)流(liu)充(chong)電(dian)接(jie)觸(chu)器(qi)
， 以yi在zai直zhi流liu充chong電dian樁zhuang和he電dian池chi之zhi間jian建jian立li連lian接jie，從cong而er實shi現xian了le直zhi流liu快kuai速su充chong電dian。還hai有you一yi些xie適shi用yong於yu車che廂xiang電dian氣qi加jia熱re器qi以yi及ji電dian池chi加jia熱re器qi的de輔fu助zhu接jie觸chu器qi，以yi便bian優you化hua寒han冷leng天tian氣qi條tiao件jian下xia的de效xiao率lv。

使用更高電壓很有可能產生損壞電弧。相比傳統400V架構， 800V架構需要滿足更嚴格的隔離要求，而這會提高解決方案成本。

連接器爬電距離和電氣間隙

所有互連係統都需要滿足安全
、gaoxiaohekekaoxingyaoqiu。dianchiguanlixitonghaibixujincouqingqiao。raner
，dianyadianpingyuegao，lianjieqiyinjiaozhijiandepadianjulihedianqijianxijiuyaoyueda
，yiquebaobucunzaiyoudianhuyinqideduanluguzhangfengxian。jinguangelianjieqizhizaoshangyikefulezhexiewenti，danchengbenquegaoyu400V架構中使用的連接器
，從而可能影響最終解決方案的成本。

傳動係統組件

牽引逆變器模塊中的組件額定值取決於最大電池電壓。如果最大電池電壓上升至800V，適用的額定組件的數量就會大大減少
，而且其售價可能會很高。對於400V電池
，由於利用了規模經濟的成本優勢
，組件的選擇範圍比較廣，牽引逆變器模塊的價格也更合理。

不同的電池架構有其固有的優點和缺點。因此
，汽車OEM需要分析並決定哪種架構最適合其生產模型，同時確保係統的價格競爭力。應對此挑戰的一種創新型解決方案就是使用兩個獨立的400V電池。它們在充電時串聯連接 (總共800V)
，從而顯著縮短充電時間，並在行駛時並聯連接 (400V)。這確保了牽引逆變器模塊的價格競爭力
，並可在不同車型中複用。

提高複雜性和功能安全性

事實上
，將電池電壓從400V增加至800V不可避免地要增加係統中的電池感測器件
，即電池單元控製器 (BCC)。由於失效率 (FIT) 概率的提高
，感測器件的數量增加會轉變為對功能安全的挑戰。然而，ISO 26262:2018標準針對BMS解決方案建議的最大殘餘FIT並未改變。

BCC隻獲得總係統FIT的一定次數，所以不能大幅增加。如果增加了它的FIT預算，則會影響係統其他部分的預算
，從而給其他領域帶來更大挑戰，並且這隻是將問題從一個領域轉移到另一個領域。

充電電壓從400V切換至800V

解決上述大多數挑戰的一個創新型解決方案就是可切換架構，該架構可在電池充電時，將電壓從原來的400V轉變為800V。電池組由2個400V電池組成
，這兩個電池在日常使用時並聯連接，以便使用標準400V傳動係統組件
，如逆變器和車載充電器，同時電池容量和裏程不會受到影響。在充電期間
，BMS將這兩個電池切換至串聯配置，從而將電壓提升至 800V

，同時降低電流，縮短充電時間。恩智浦研發的器件和解決方案，現已準備好為OEM開發這些可切換架構提供支持，並應對這些架構帶來的新挑戰。

HVBMS 800V簡要功能框圖

通用硬件和軟件支持可擴展性

S32K3 BMS處理器

恩智浦S32K3係列控製器支持400V和800V架構以及新型可切換架構。這款高度可擴展的器件基於工作頻率達240MHz的Arm®️ Cortex®️-M7內核，采用可擴展內存空間
，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級，以及分別符合ISO 26262功能安全標準和ISO 21434網絡安全標準的先進功能安全硬件和軟件IP以及硬件和軟件安全特性。

本係列中的器件使用同類型外設和引腳輸出，允許開發人員在一個芯片係列中或在S32K3產品組合內的其他處理器之間輕鬆遷移，以利用更多內存或功能集成，從而最大限度地複 用硬件和軟件
，縮短產品上市時間。此外

，恩智浦還為不同開發階段提供易於使用的支持軟件
、應用專用的軟件以及由 廣泛的第三方生態係統提供的各種開發工具。

MC33665 BMS網關

設計人員可結合使用恩智浦S32K3 BMS處理器與MC33665 BMS收發器/網關IC
，創建更靈活的高效架構。與目前使用的專有通信解決方案相比，該器件還允許將電池內部的通信標準化為CAN FD通信。

通過標準化CAN FD通信，OEM可使用單個通用型電池管理單元 (BMU)，而不是多個自定義BMU，從而簡化組裝，降低物料 (BOM) 成cheng本ben，並bing顯xian著zhu縮suo短duan新xin電dian池chi型xing號hao的de上shang市shi時shi間jian。通tong過guo域yu控kong製zhi器qi以yi及ji與yu雲yun計ji算suan和he數shu字zi孿luan生sheng模mo型xing的de兼jian容rong性xing，這zhe種zhong電dian池chi平ping台tai還hai可ke以yi輕qing鬆song地di對dui電dian池chi軟ruan件jian進jin行xing無wu線xian遠yuan程cheng (OTA) 升級。

MC33665可實現兩個主要功能:收發器和網關。該器件安裝在BMU上，可將與電池接線盒(BJB) 和電池芯監控單元 (CMU) 的通信捆綁在一起。由於有四條ETPL線路，該器件可以建立多個菊花鏈
，以便連接多個CMU板，並處理所有通信和消息路由
，從而減少MCU的計算電力負荷。該功能可輕鬆在各 自功能模塊中同步執行電池組電流和電池電壓測量
，從而有 助於確定電池芯和電池組的阻抗。此外，環回功能可提高電 池解決方案內部通信電路的穩健性。

方案：電池架構

該軟件定義的解決方案斷開了應用層軟件與物理模塊或電池芯——電池組配置的連接。利用恩智浦MC3377x係列的可擴展BCC產品組合
，可滿足6~18個電池芯的應用要求，同時保證功能安全性和軟件兼容性。這種靈活性可滿足汽車行業的不同市場需求。

功能安全性

恩智浦開發出了FIT概率更低的新器件
，以應對功能安全挑戰。通過實現新的功能安全概念
、檢測方法和安全架構

，恩智浦提高了器件的故障模式的診斷覆蓋率
，從而將殘餘FIT降低至可接受水平，以支持電壓更高的解決方案。

解決電磁兼容 (EMC) 挑戰

為解決更高電壓係統中的EMC挑戰，以及800V適用的連接器的高成本問題，我們需要探索新的通信路徑。這些新路徑應具有軟件向後兼容性，方便從當前的先進解決方案進行轉換。

結論

2 x 400V / 800V可切換電池架構為OEM提供了兩全其美的解決方案：既保證了更高的裏程，又實現了快速充電
，同時不會產生額外的傳動係統組件成本。通過提供400V或800V的解決方案
，以及利用規模經濟的成本優勢，使用該架構的OEM還可以增加其品牌產品的靈活性。

恩智浦作為一級供應商的完整係統提供商
，可提供完整可擴展的芯片組解決方案
，支持多種電池架構的BMS功能。恩智浦提供全麵的高壓電池管理係統 (HVBMS) 參考設計


，該設計完全遵循ISO 26262:2018汽車功能安全標準的V模型
，可幫助開發人員應對新架構方案所帶來的挑戰。

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