電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）近年來，世界上許多國家和地區(qū)都出臺了“碳中和”的政策目標。聯(lián)合國秘書長古特雷斯甚至希望能在2050年之前，全球都實現(xiàn)“碳中和”。“碳中和”指的是每年的二氧化碳排放量與減排量互相抵消，為零排放。

為了實現(xiàn)“碳中和”目標，目前大部分國家的共識是希望通過大多數(shù)交通運輸系統(tǒng)的電氣化，來減少碳排放。因此，現(xiàn)在電動汽車（EV）大行其道，多數(shù)國家都在大力推行汽車電動化計劃。據(jù)Marklines統(tǒng)計，2020年全球電動汽車的總銷量為289.24萬輛，同比上升了45%。其中，中國區(qū)銷量最大，2020年全年銷售了120萬輛，緊隨其后的是德國的40.4萬輛和美國的32.4萬輛。這其中特斯拉貢獻最大，全年售出了45.9萬輛。

圖1：全球電動汽車2020年12月及全年銷量統(tǒng)計（單位：輛）。（數(shù)據(jù)來源：Marklines，東吳證券研究所）

有線BMS與無線BMS對比

目前在電動汽車當中，40%的成本來自電池，因此，電池的性能和壽命成為了電動汽車品牌取得成功的關鍵因素。而電池管理系統(tǒng)，即BMS（Battery Management System），能夠密切監(jiān)視、控制和分配整個電池系統(tǒng)在使用壽命期間的可靠充電和放電，保證電池的安全性、耐久性和動力性。

隨著人們對電動汽車的需求越來越大，銷量越來越高，電動汽車制造商越來越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。他們尤為關注如何改進BMS，因為BMS能夠實時監(jiān)控電動汽車中每個電池的性能。

一輛電動汽車中，往往有100個，甚至更多的鋰離子電池通過串并聯(lián)的方式連接后，來滿足汽車電機的負載要求，驅動汽車行駛。一般來說，電動汽車的內(nèi)部電池組電壓不低于800V。那么該使用什么技術來保證電池組的安全可靠，以及性能呢？答案就是BMS解決方案。

圖2：基礎的新能源汽車高壓電池模塊架構。（來源:TI）

電池組組一般都多個電池模塊組成，每個電池模塊又包括多種傳感器、AFE(模擬前端)、主控/MCU、電流測量、以及充電/不充電開關等部分。其中，AFE專指電池采樣芯片，用來采集電芯電壓和溫度等信息。同時，它還要支持電池的均衡功能，通常來說芯片會集成被動均衡功能。MCU主要是用來處理AFE收集來的信息，計算SOC、SOH等參數(shù)，并將這些信息傳送給上一級VCU。充電/不充電開關由MCU控制，這個切換開關一般使用繼電器，很少使用MOS管。

圖3：適用于400V 至 800V 電動汽車的典型分布式電池組系統(tǒng)。

目前，新能源汽車中電池組的一種常見設計方法是采用分布式電池組系統(tǒng)，通過在不同的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。隨著技術的進步，如今的BMS解決方案主要有兩種：有線BMS解決方案和無線BMS解決方案。

這兩者的主要不同在于，在有線BMS解決方案中，通常利用雙絞線電纜，以菊花鏈方式連接電池監(jiān)控器，以傳輸從每個電池模塊采集的數(shù)據(jù)；而無線BMS解決方案則是使用無線通信接口來傳輸這些數(shù)據(jù)。

圖4：有線BMS解決方案示例。

在圖4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(lián)，也可使用環(huán)形電纜，在電纜斷開時向任一方向傳輸數(shù)據(jù)。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。

圖5：無線BMS解決方案示例。（來源TI）

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(shù)據(jù)從電池監(jiān)控器傳輸?shù)街鳈CMCU。

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CC2662R-Q1器件。

從圖5中可以看出，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。

圖6：有線BMS方案與無線BMS方案的有缺點對比。

圖：無線BMS方案。（來源：ADI）

目前無線BMS方案有TI的CC2642R-Q1、CC2662R-Q1，以及ADI的SmartMesh無線網(wǎng)格網(wǎng)絡系統(tǒng)與其電池組監(jiān)視器的組合。

此外，2017年3月，英國一家名為Dukosi的BMS企業(yè)宣布融資200萬英鎊用于無線BMS技術的產(chǎn)品開發(fā)。該公司也是著眼于直接從電芯采集、處理和存儲數(shù)據(jù)，向PACK層面實時傳遞數(shù)據(jù)，以降低PACK的復雜度，改善測量精度。不過到目前為止，在其官網(wǎng)上還沒有發(fā)現(xiàn)他們有產(chǎn)品推出。

BMS方案的組成及供應商

我們知道BMS方案中主要的用的芯片有AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等，目前有哪些廠商可以提供這些芯片呢?我們依次來看。

首先是AFE，其實在汽車BMS方案中，可供我們選擇的AFE并不多。其實目前市面上可以接觸到的AFE內(nèi)部結構基本都大同小異，最主要的不同點在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型和架構。

AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產(chǎn)品線主要來自收購的凌力爾特和美信，瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購來的Intersil。AFE產(chǎn)品的供應商主要是國外的企業(yè)，國內(nèi)目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。

表2：AFE主要供應商及產(chǎn)品型號。（來源：公司官網(wǎng)，公開信息）

從MCU方面來看，供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內(nèi)也有不少MCU廠商都在積極布局車規(guī)級產(chǎn)品，比如兆易創(chuàng)新、芯旺微、比亞迪、杰發(fā)科等等。

表3：MCU主要供應商及產(chǎn)品型號。

在ADC方面，目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數(shù)是美國廠商，ST雖然有，但產(chǎn)品系列比較少。國內(nèi)可以提供車規(guī)級ADC的企業(yè)目前還沒發(fā)現(xiàn)。

在數(shù)字隔離方面，主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信，以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應商有ADI、TI、SiliconLabs等。當然，除了使用數(shù)字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。

結語

高精度智能化的BMS解決方案可對電動汽車的電池組進行智能管理，提高電池的性能和使用壽命，同時保證電池的安全性、耐久性和動力性，防止電動汽車出現(xiàn)安全事故。不過目前可以選用的BMS方案器件大多來自國外廠商，國內(nèi)廠商可以提供的產(chǎn)品不多。希望未來會有越來越多的國產(chǎn)器件進入BMS解決方案中。