電動(dòng)汽車(chē)高壓電池管理系統 (BMS) 技術(shù)正在快速發(fā)展。設計人員正在測試各種新架構，以增加單次充電的里程，并縮短充電時(shí)間。本白皮書(shū)對使用更高電壓的結果進(jìn)行了評估，評估涉及多個(gè)組件的更嚴格要求、不斷增加的系統復雜性及其對功能安全的影響。

面臨這些挑戰，原始設備制造商 (OEM) 開(kāi)始探索可切換的新型2 x 400V / 800V架構。它可實(shí)現快速充電，并復用現有系統解決方案 (如牽引逆變器)，為BMS開(kāi)發(fā)人員和最終用戶(hù)提供兩全其美的解決方案。

使用800V架構的動(dòng)機

通往快速充電之路

長(cháng)久以來(lái)，有限的里程和較長(cháng)的充電時(shí)間一直被認為是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 普及過(guò)程中的兩大挑戰。新型電池化學(xué)材料和智能電池管理系統在擴大行駛里程方面取得了很大成效。然而，充電速度仍是個(gè)問(wèn)題，尤其是在長(cháng)途旅行或時(shí)間緊迫的時(shí)候。

直流快速充電器只需30至45分鐘即可將電池充至80%的電量。盡管使用更高的功率可加快車(chē)輛的充電速度，但這也會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。當電能通過(guò)電纜從充電樁進(jìn)入汽車(chē)電池時(shí)，內置電阻在高電流導通下會(huì )溫度上升。因此，對于典型的400V EV電池，充電速率受多個(gè)因素的限制，比如傳輸充電電流所需的電纜橫截面積或電池單元的溫度。一些直流快速充電樁會(huì )對電纜進(jìn)行液體冷卻，以控制由于I²R功耗導致的溫度上升。因此，通過(guò)增加電壓而非電流來(lái)提高輸出功率似乎很合理。

高功率輸出

保時(shí)捷Taycan EV是第一款由大型汽車(chē)廠(chǎng)商制造的量產(chǎn)級高壓汽車(chē)，其系統電壓為800V，而非常見(jiàn)的400V。保時(shí)捷在發(fā)布這款汽車(chē)時(shí)表示，將電池電壓增加一倍可實(shí)現穩定的高性能，縮短充電時(shí)間，并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分鐘內將電池充至80%的電量。然而，800V EV設計要求對所有電氣系統進(jìn)行新的考量，同時(shí)對與電池管理系統明顯相關(guān)的幾個(gè)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

與內燃機車(chē)中的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)功能一樣，主要接觸器會(huì )在車(chē)輛停止時(shí)，對電池和牽引逆變器進(jìn)行電氣隔離，并在車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)將兩者重新連接起來(lái)。獨立接觸器可在電池與直流鏈路和充電器總線(xiàn)之間建立連接和斷開(kāi)連接，一條總線(xiàn)位于正供電軌上，另一條位于負供電軌上。使用額外的直流充電接觸器， 以在直流充電樁和電池之間建立連接，從而實(shí)現了直流快速充電。還有一些適用于車(chē)廂電氣加熱器以及電池加熱器的輔助接觸器，以便優(yōu)化寒冷天氣條件下的效率。

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

連接器爬電距離和電氣間隙

所有互連系統都需要滿(mǎn)足安全、高效和可靠性要求。電池管理系統還必須緊湊輕巧。然而，電壓電平越高，連接器引腳之間的爬電距離和電氣間隙就要越大，以確保不存在由電弧引起的短路故障風(fēng)險。盡管各連接器制造商已克服了這些問(wèn)題，但成本卻高于400V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(dòng)系統組件

牽引逆變器模塊中的組件額定值取決于最大電池電壓。如果最大電池電壓上升至800V，適用的額定組件的數量就會(huì )大大減少，而且其售價(jià)可能會(huì )很高。對于400V電池，由于利用了規模經(jīng)濟的成本優(yōu)勢，組件的選擇范圍比較廣，牽引逆變器模塊的價(jià)格也更合理。

不同的電池架構有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，汽車(chē)OEM需要分析并決定哪種架構最適合其生產(chǎn)模型，同時(shí)確保系統的價(jià)格競爭力。應對此挑戰的一種創(chuàng )新型解決方案就是使用兩個(gè)獨立的400V電池。它們在充電時(shí)串聯(lián)連接 (總共800V)，從而顯著(zhù)縮短充電時(shí)間，并在行駛時(shí)并聯(lián)連接 (400V)。這確保了牽引逆變器模塊的價(jià)格競爭力，并可在不同車(chē)型中復用。

提高復雜性和功能安全性

事實(shí)上，將電池電壓從400V增加至800V不可避免地要增加系統中的電池感測器件，即電池單元控制器 (BCC)。由于失效率 (FIT) 概率的提高，感測器件的數量增加會(huì )轉變?yōu)閷�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余FIT并未改變。

BCC只獲得總系統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(huì )影響系統其他部分的預算，從而給其他領(lǐng)域帶來(lái)更大挑戰，并且這只是將問(wèn)題從一個(gè)領(lǐng)域轉移到另一個(gè)領(lǐng)域。

充電電壓從400V切換至800V

解決上述大多數挑戰的一個(gè)創(chuàng )新型解決方案就是可切換架構，該架構可在電池充電時(shí)，將電壓從原來(lái)的400V轉變?yōu)?00V。電池組由2個(gè)400V電池組成，這兩個(gè)電池在日常使用時(shí)并聯(lián)連接，以便使用標準400V傳動(dòng)系統組件，如逆變器和車(chē)載充電器，同時(shí)電池容量和里程不會(huì )受到影響。在充電期間，BMS將這兩個(gè)電池切換至串聯(lián)配置，從而將電壓提升至 800V，同時(shí)降低電流，縮短充電時(shí)間。恩智浦研發(fā)的器件和解決方案，現已準備好為OEM開(kāi)發(fā)這些可切換架構提供支持，并應對這些架構帶來(lái)的新挑戰。

HVBMS 800V簡(jiǎn)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系列控制

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于工作頻率達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(wǎng)絡(luò )安全標準的先進(jìn)功能安全硬件和軟件IP以及硬件和軟件安全特性。

本系列中的器件使用同類(lèi)型外設和引腳輸出，允許開(kāi)發(fā)人員在一個(gè)芯片系列中或在S32K3產(chǎn)品組合內的其他處理器之間輕松遷移，以利用更多內存或功能集成，從而最大限度地復 用硬件和軟件，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，恩智浦還為不同開(kāi)發(fā)階段提供易于使用的支持軟件、應用專(zhuān)用的軟件以及由 廣泛的第三方生態(tài)系統提供的各種開(kāi)發(fā)工具。

MC33665 BMS網(wǎng)關(guān)

設計人員可結合使用恩智浦S32K3 BMS處理器與MC33665 BMS收發(fā)器/網(wǎng)關(guān)IC，創(chuàng )建更靈活的高效架構。與目前使用的專(zhuān)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(guò)標準化CAN FD通信，OEM可使用單個(gè)通用型電池管理單元 (BMU)，而不是多個(gè)自定義BMU，從而簡(jiǎn)化組裝，降低物料 (BOM) 成本，并顯著(zhù)縮短新電池型號的上市時(shí)間。通過(guò)域控制器以及與云計算和數字孿生模型的兼容性，這種電池平臺還可以輕松地對電池軟件進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠程 (OTA) 升級。

MC33665可實(shí)現兩個(gè)主要功能:收發(fā)器和網(wǎng)關(guān)。該器件安裝在BMU上，可將與電池接線(xiàn)盒(BJB) 和電池芯監控單元 (CMU) 的通信捆綁在一起。由于有四條ETPL線(xiàn)路，該器件可以建立多個(gè)菊花鏈，以便連接多個(gè)CMU板，并處理所有通信和消息路由，從而減少MCU的計算電力負荷。該功能可輕松在各 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 助于確定電池芯和電池組的阻抗。此外，環(huán)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(kāi)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系列的可擴展BCC產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足6~18個(gè)電池芯的應用要求，同時(shí)保證功能安全性和軟件兼容性。這種靈活性可滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的不同市場(chǎng)需求。

功能安全性

恩智浦開(kāi)發(fā)出了FIT概率更低的新器件，以應對功能安全挑戰。通過(guò)實(shí)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，從而將殘余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

為解決更高電壓系統中的EMC挑戰，以及800V適用的連接器的高成本問(wèn)題，我們需要探索新的通信路徑。這些新路徑應具有軟件向后兼容性，方便從當前的先進(jìn)解決方案進(jìn)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：既保證了更高的里程，又實(shí)現了快速充電，同時(shí)不會(huì )產(chǎn)生額外的傳動(dòng)系統組件成本。通過(guò)提供400V或800V的解決方案，以及利用規模經(jīng)濟的成本優(yōu)勢，使用該架構的OEM還可以增加其品牌產(chǎn)品的靈活性。

恩智浦作為一級供應商的完整系統提供商，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。恩智浦提供全面的高壓電池管理系統 (HVBMS) 參考設計，該設計完全遵循ISO 26262:2018汽車(chē)功能安全標準的V模型，可幫助開(kāi)發(fā)人員應對新架構方案所帶來(lái)的挑戰。