如何使电动车电池组控制设计降低30%以上BOM

电动车（EV）或混合动力车（HEV）发展至今，动力锂离子电池组的监控与管理一直是差距核心也是研究重点。其中，成本与安全是设计的最大诉求。如果告诉您一个设计方法可以两者兼顾会不会有惊喜？日前EDN对飞思卡尔半导体公司新推出电池组控制器产品组合做了深入了解，想实现安全又降成本的电池组管理设计就靠它们了。

据飞思卡尔模拟与传感器部亚太区汽车产品营销与业务拓展经理孟杰介绍，飞思卡尔是通过两款电池监控芯片，MC33771、MC33772以及隔离变压器驱动芯片MC33664以及其他器件构成的解决方案来实现这些的（图1）。 


图1：飞思卡尔电池管理芯片Roadmap。

该方案中最新推出的MC337723是4-6节（芯）锂离子电池组监控芯片，可与飞思卡尔之前推出的MC33771，14芯电池控制器，搭配组合，使之囊括单芯片4至14芯全系列解决方案（图2），增加电池组控制器设计灵活性，有效降低BOM成本，满足汽车和工业电池系统严格的功能安全要求。


图2：基于MC33771和MC33772的BMS解决方案。

对于如何能实现设计灵活性与降BOM，孟杰表示：“第一方面灵活性来自横向扩充。通常工程师在利用电源监控芯片做多节（芯）电池组设计时会有部分浪费现象，比如工程师要设计20芯电池组，以往需要2片12芯或14芯芯片，这样会有资源浪费，现在只需要一颗14芯加一颗6芯就能完成，这部分减少的浪费就可以省大约20%。这也是飞思卡尔继MC33771后提出MC33772的主要原因，4到14芯的加宽选择可以方便客户做灵活设计并降低BOM。下一步飞思卡尔也有计划推18节芯片，进一步丰富选择。”

其次，设计师可以通过灵活的拓扑结构来实现降BOM的目标。MC33771或MC33772支持各种电池管理系统拓扑，包括集中式、分布式CAN和分布式菊花链系统。在采用高速菊花链通讯时，在对于96块单体电池串联的应用中，菊花链通讯仅需要2.6毫秒就能实现全部数据的采集与通信。对此，孟杰也表示：“传统做级联的拓扑，除了主MCU外，每一集电池监控芯片都需要一个从MCU做控制，这种拓扑灵活度低，且BOM高。而采用菊花链拓扑可通过隔离变压驱动芯片（级联芯片）MC33664直接一级级往下加，拓扑简单，灵活性强，且可以比上面的传统做法节省30%到40%的BOM（图3），也有效减少PCB面积。” 


图3：菊花链通讯替代传统的CAN总线通讯。

第三方面，设计师也可以通过对芯片纵向可扩展的选择来进一步实现设计灵活性与降BOM的目标。对此孟杰解释道：“MC33771和MC33772芯片本身提供三个版本可选，包括白金版，高级版和普通版。这种做法更有利于工程师做自己汽车产品的平台化设计，可针对高中低端产品做不同版本的Cost Down。其中白金版硬件内置库伦计等功能，可随时计量电池电量、同步电池电压/电流测量。高级版则有诊断/纠错等功能。同时MC33771和MC33772拥有43个自检口，可以检测芯片本身以及电池的各项状态。有些客户在具体设计中，与MCU相连的那级采用白金版，后面用普通版，从而进一步降BOM。”

除了上述三方面有效帮助设计降BOM的措施外，飞思卡尔的全系列电池控制器件每个芯片都单独满足严格的ISO 26262要求。对于功能安全，孟杰认为：“电动车的安全是核心问题，与外界方案不同的是，飞思卡尔可以提供从MCU到电源到模拟一整套的器件，且每块单芯片都可以符合ISO 26262安全要求，这和业内其它企业不同，他们的产品未必可以做到单块芯片都满足ISO 26262，有可能只是解决方案整体可以满足。这就像做一道菜我的每一道食材都是经认证可追溯的。这样飞思卡尔可以确保测量的精准度和安全性。”MC33772就借助单个芯片提供的集成式功能验证和先进的诊断功能，能帮助客户轻松满足严格的ISO 26262 ASIL-C要求。使用飞思卡尔电池组控制器还可以实现ASIL-D系统级实施，让客户能够满足多个功能安全概念，达到系统级安全要求。同时作为一款纳入飞思卡尔SafeAssure计划的功能安全解决方案，该系列可满足有关ESD、EMC、低电流消耗和AEC-Q100汽车级设计的严格标准。

MC33772与飞思卡尔全面的电池控制器产品相组合，可支持广泛的电池用化学成分，包括磷酸铁锂、锂镍锰钴氧化物、钛酸锂和锂聚合物，能轻松扩展解决方案，无需进行新的研发投资。据悉，MC33772的样片会在明年（2016年）3季度量产。