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EV/HEV动力电池不禁用?你需要一款电池监控IC来帮忙~

2019-11-06
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应对EV/HEV面临的挑战,从BMS电池监控IC开始!


最近几年,电动和混合动力电动汽车(EV/HEV)的销量持续飙升。Yole Développement在其“POWER ELECTRONICS FOR EV/HEV 2018”报告中预测,2017-2023年,电动汽车/混合动力汽车的销量将以28%的复合年增长率保持增长。2017年,人们购买了120万辆电池电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV),与2016年相比增长了52%。然而到了2020年,全球电动/混合动力电动汽车的数量将达到1000万辆。从区域角度看,亚太地区电动汽车的需求高涨,中国、印度、韩国和日本领衔电动汽车市场的增长。


中国EV/HEV发展状况


2018年以来,中国汽车大市场虽然出现整体下滑的趋势,但在政府对新能源汽车的大力支持下,新能源汽车行业迎来了高速发展时期,并以全球新能源乘用车销量占比63%的绝对优势,成为了全球新能源汽车的第一大市场。根据工信部网站最新发布的数据,今年1-7月,新能源汽车产销分别完成70.1万辆和69.9万辆,同比分别增长39.1%和40.9%。其中,纯电动汽车产销分别完成55.8万辆和55.1万辆,同比分别增长46.3%和47.8%;插电式混合动力汽车产销分别为14.1万辆和14.6万辆,同比分别增长15.6%和18.9%。燃料电池汽车产销分别完成1176辆和1106辆,比上年同期分别增长8.8倍和10.1倍。
 
新能源汽车销量的增长,不仅对车用锂离子电池市场产生积极影响,与之密切相关的电池管理系统(BMS)、充电基础设施等相关产业均迎来了发展的利好。据Strategy Analytics预测,随着EV/HEV平台在全球汽车制造业中的比重越来越大,到2026年,对功率器件的需求将占EV/HEV动力总成半导体器件需求的55%以上。因巨大的新能源汽车的保有量,无论是一级市场还是二级市场,BMS在中国市场都有很大的市场机会。



图1  2016-2019年中国新能源汽车销量及同比变化情况(图片来源:工信部官方网站)


EV/HEV市场面临的挑战


自20世纪90年代第一批量产车型上市以来,EV/HEV市场一直在迅速发展。市场的发展主要受两个关键因素的推动:一是增加车辆行驶里程,二是缩短电池的充电时间。
 
我们常常听到这样的消息,车企宣称的电动汽车的超长续航与真实的车况总是存在着很大偏差。另外,在使用便利性上电动汽车也比不上燃油车,充电难、充电慢等问题,严重影响了消费者的使用体验。加之近年来电动车频发的自燃事件和基础设施不够完善等问题,阻碍了新能源车市场的拓展。
 
要解决上述问题,与EV/HEV续航时间密切相关的电池管理系统(BMS)的重要性日益凸显。而在提升BMS性能和可靠性方面,电池组监控是极为重要的一环,也是半导体厂商市场角力的重点。目前介入该领域的半导体企业越来越多,产品的更新迭代速度不断加快。以TI、ADI公司为例,近几年来,先后推出了一系列满足EV/HEV需求的BMS产品和解决方案。
 

ADI  LTC6813-118节串联电池的电压组监视器



LTC6813-1是ADI公司推出的一款多节电池的电池组监视器,最多可测量18节串联电池的电压,并具有小于2.2mV 的总测量误差。所有18节电池能在290μs之内完成测量,并且可以选择较低的数据采集速率以实现更高的噪声抑制。综合各项参数,LTC6813-1应该是EV/HEV、电池冗余系统、高功率电池系统的理想选择。

图2  LTC 6813-1方框图


LTC6813-1器件可采用菊花链方式串联起来,用来实现对一长串高电压电池串的监视。每个LTC6813都配有一个isoSPI接口(图2),用于实现高速、具有抗射频干扰能力的远程通信。图3为LTC6813-1的应用原理图,可作为设计时的参考。当LTC6813-1采用菊花链式连接时,所有器件均需与一个主处理器连接。而这种菊花链是可以双向操作的(可逆的),即使在通信路径发生故障的情况下也能确保通信的完整性。

图3  LTC6813-1应用原理图


图4为超过18节电池时的LTC6813-1 BMS连接示意图,此时需将多个LTC6813-1 BMS板连接在一起。在这里,多个相同的PCB(每个PCB包含一个LTC6813-1)的连接为菊花链形式,微处理器在单独的PCB板上。为了在微处理器PCB与LTC6813-1 PCB之间实现2线隔离,可使用LTC6820器件。



图4  LTC6813-1可逆isoSPI菊花链连接图


有关LTC6813-1的设计资源及详细参考资料,可通过ADI官网获取


TI 
BQ76940
3至15节串联锂离子和锂磷酸盐电池控制器




BQ76940是一款多体电池监控产品,与众不同之处在于它所具有的极高灵活性。例如,如果电动工具公司想在使用18V电池组的吹叶机中使用电池管理系统,那么该公司将必须投入时间和金钱让工程师团队设计出能与吹叶机配合工作的18V电池组。如果该公司随后又想生产36V电池组的割草机,他们就必须重新为电池组系统设计并编程全新的接口,所消耗的时间和精力与设计吹叶机的电池组相同。而一旦采用BQ76940监控器,由于接口设计完全相同,因此,无论是18V、36V还是任何其它值,工程师都可使用相同的编程让电池管理系统与微处理器或微控制器对话,不仅可节省大量时间、精力和成本,同时还可加速产品上市的进程。
 
那么TI BQ76940具体能做什么呢?答案是它能进行电池测量,从而获得电池组内部提供的所有数据,例如电池电压、电流和温度,并将该数据转变成可由微控制器做进一步处理的有用信息,最终让设备知道电池还有多少剩余电量,并通过确保电池不会过度充电或电量过低为设备提供保护。TI BQ76940的最终目的是让设备中的电池更安全、更可靠、持续稳定地工作。BQ76940在设计时充分考虑了低功耗要求,可通过使能/禁用IC中的子模块来控制整个芯片的电流消耗。
 
电动自行车、摩托车和高尔夫球车,以及在中国十分普及的电动自行车等都可以使用这款电池管理系统。此外,广泛的工业领域,从医疗应用到地震监测,再到叉车以及其他相关设备,只要通过电池来运行,就有可能采用这款电池管理系统实现更准确的电量监测、升级的保护措施。图5为12至15节锂离子和磷酸盐电池管理系统方框图,电池可在36 V至50 V的范围内运行。


图5  12至15节锂离子和磷酸盐电池管理系统方框图

 

严格来说,BQ76940不是一个专为EV和HEV应用而推出的BMS产品,它的很多应用主要在电动工具、电动自行车、电动摩托车和高尔夫球车等场合,产品应用非常广。今年,TI已经推出了全新的面向EV和HEV的BMS新品BQ76960,产品针对EV和HEV的应用做了进一步的优化,同时也丰富了BQ769x0家族的产品线。


 本文小结 


全球低碳减排的大趋势,推动着EV和HEV等新能源车市场的高速发展,而与传统的燃油车辆相比,EV和HEV在动力电池可靠性和续航等方面仍面临着严峻的挑战。新型电池组监控方案的出现,是应对这一挑战关键的一环,也是打造高效高可靠BMS的起点。


 设计小贴士 


1、为了便于设计人员快速选择更适合的产品,表1 给出了文中提及的两款BMS电池监控IC产品的主要参数,供设计选型时参考。

 

表1  LTC6813-1、BQ76940产品主要参数

2、为了帮助设计人员快速启动系统设计,ADI、TI还提供了文中提及电池监控IC相关的评估套件。可发者可以通过Digi-Key的官网了解或获取这些评估套件,详见以下链接:
ADI 的评估套件 – DC2350A-B

https://www.digikey.cn/products/zh?WT.z_header=search_go&keywords=DC2350A-B)



TI 的评估套件 – BQ76940EVM

https://www.digikey.cn/product-detail/zh/texas-instruments/BQ76940EVM/296-37862-ND/4878486


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