電池組是電動(dòng)汽車(chē)最重要的部件之一，就成本而言，它幾乎占到車(chē)輛成本的40%。電池組包括為電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統供電的鋰離子電池，以及一種名為電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統（BMS）的智能解決方案。

電動(dòng)汽車(chē)BMS又分為低壓（LV）和高壓（HV）兩類(lèi)。其中，≤30VAC和≤60VDC屬于低壓級別，主要應用于輕型電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)輛（2輪或3輪車(chē)）；高壓BMS有兩個(gè)級別，工作電壓范圍分別為≤600VAC和≤900VDC以及≤1,000VAC和≤1,500VDC，主要應用于電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)巴士、電動(dòng)卡車(chē)（4輪車(chē)）等，這些車(chē)輛常常需要串聯(lián)和并聯(lián)多個(gè)鋰離子電池，例如400V、20kWh電動(dòng)巴士的高壓BMS（含LiFePO4電池）就由125個(gè)串聯(lián)電池和1個(gè)并聯(lián)電池組成。

從物理特性來(lái)看，鋰離子電池組的爆炸威力類(lèi)似于小型炸藥，未經(jīng)控制的熱失控會(huì )導致爆炸和火災的發(fā)生，對車(chē)輛乘員來(lái)說(shuō)這個(gè)潛在的威脅可能是致命的。因此，密切關(guān)注電池組的電壓、電荷和溫度等參數的變化非常重要。從應用角度來(lái)看，為了從一次充電中獲得更多里程、減少充電時(shí)間，且盡可能地地降低電動(dòng)汽車(chē)電池組的總成本，除了嘗試采用新的電池化學(xué)成分以及新的架構外，電動(dòng)汽車(chē)高壓BMS的高效設計也非常關(guān)鍵。

BMS：電動(dòng)汽車(chē)安全可靠工作的守護者

鋰離子電池具有高充電密度，為大多數電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力。不過(guò)，這些電池組在使用過(guò)程中存在著(zhù)高度不穩定性和安全隱患。因此，這些電池在任何時(shí)候都不應處于過(guò)度充電或達到深度放電狀態(tài)。

熱失控通常是指充電或過(guò)度充電時(shí)流過(guò)電池的電流導致電池過(guò)熱，這種情況將損害電池的壽命或容量。不同鋰電池之間的不一致性是必然存在的一種現象，要想保證電池組的安全高效運行，這些電池必須同時(shí)工作在狹小的安全窗口內。

在實(shí)際應用中，這一管理過(guò)程非常具有挑戰性，因為在電動(dòng)汽車(chē)中，許多電池單元被組合在一起形成一個(gè)電池組，每個(gè)電池單元都需要單獨監控，以確保其安全和高效運行，電池數量越多，管理難度就越大。此時(shí)，堪稱(chēng)電動(dòng)汽車(chē)守護者的電池管理系統（BMS）的作用就極為重要。

電動(dòng)汽車(chē)BMS是控制電池組正常工作的中央單元，它能確保鋰離子電池安全、可靠和高效運行，通常通過(guò)監測和測量電池參數并評估SoC（充電狀態(tài)）和SoH（健康狀態(tài)）來(lái)管理電池組。BMS主要通過(guò)確保電池組在SoA（安全操作區）下安全地工作，從而保護電池組中的電池；電池數量越多，BMS的設計難度越大。以Model3為例，它的BMS需管理2,976節21700電池，或許是目前市場(chǎng)上復雜度最高的電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統之一。

BMS常常被看作是電池組的大腦，它的主要功能是保證電動(dòng)汽車(chē)的電池受到保護，防止任何超出其安全極限的操作。以下是電動(dòng)汽車(chē)BMS執行的四大常規功能：

電池監測

在充電或放電時(shí)，需要隨時(shí)對電池進(jìn)行監測，任何不符合規范的情況都必須在觸發(fā)安全機制的同時(shí)進(jìn)行識別和報告。在此階段，需運行一些算法來(lái)計算充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）。在這里，監測SoC可確保電池不會(huì )過(guò)充或充電不足。有時(shí)SoC也被視為電動(dòng)汽車(chē)的“燃料”指示器，它能顯示電池中剩余的電量，并據此確定車(chē)輛的續航里程。SoH是電池整體健康狀況的指標，可洞察電池的運行狀況，根據這些信息，可以預測電池壽命并制定維護計劃。

功率優(yōu)化

電池監測的直接結果是對電池功率進(jìn)行優(yōu)化。當電池監測功能確定了SoC和SoH后，電動(dòng)汽車(chē)BMS的工作就是將SoC和SoH參數保持在規定值內。當電池充電時(shí)，BMS確定單個(gè)電池中允許流過(guò)多少電流。在電動(dòng)汽車(chē)運行期間，電池處于放電狀態(tài)，BMS要確保電壓水平不會(huì )過(guò)低。

電動(dòng)汽車(chē)的安全性

未檢測到的電池熱失控可能會(huì )導致重大安全事故。BMS通過(guò)采集電壓、溫度和電流等數據以?xún)?yōu)化功率，類(lèi)似的數據也常常用于保證車(chē)輛的安全性，以符合ISO26262等標準的要求。當然，車(chē)輛的安全性也涉及到另一個(gè)方面的要求，即車(chē)身/底盤(pán)與電池組必須絕緣，以避免對車(chē)輛乘員造成電擊。

電池充電優(yōu)化

電池的健康狀況會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而不斷變差。比如，電芯受熱后有時(shí)會(huì )出現輕微損壞，并開(kāi)始以低于其他電芯的電壓充電。BMS要能夠識別此故障并優(yōu)化充電過(guò)程，以便所有電池都以較低的電壓充電，以此減少整個(gè)電池組的壓力，提高整體壽命。當然，BMS診斷也會(huì )將此問(wèn)題存儲為故障代碼，以便在稍后階段修復。此外，電池端子的氧化也可能導致電壓降低，BMS需要適應這些變化并使電池達到最佳性能。

BMS設計的技術(shù)考慮

在設計BMS時(shí)，必須考慮各種因素，主要應包含四個(gè)關(guān)鍵功能：

一是參數估算。要能估算電芯級和組件級的SoC、SoH，并通過(guò)CAN與控制器通信。
二是數據存儲。BMS應記錄來(lái)自電池組和單個(gè)電芯的電信號，并將其存儲在內置存儲器中。
三是控制功能。BMS需要測量溫度、電壓和電流，并控制這些參數以實(shí)現電芯的平衡。
四是診斷功能。預測故障、監測電芯的變化、感知錯誤、識別安全風(fēng)險并向駕駛員發(fā)送信息以供決策。

TI BQ79616-Q1

BQ79616-Q1是TI公司提供的汽車(chē)類(lèi)16節串聯(lián)精密電池監控器、平衡器和集成保護器，符合ASIL-D標準，在不到200µs的時(shí)間內為HEV/EV中高壓電池管理系統中的16S電池模塊提供高精度電池電壓測量。

借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡(jiǎn)單、低額定電壓的差分RC濾波器來(lái)實(shí)施系統。集成的ADC低通濾波器可以執行經(jīng)過(guò)濾波、類(lèi)似于直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態(tài)（SoC）。該器件還支持自主內部電池平衡，并通過(guò)監測溫度來(lái)自動(dòng)暫停和恢復平衡，以免出現過(guò)熱條件。

此外，器件中包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過(guò)電容器和變壓器進(jìn)行隔離，并且能夠使用更高效的組件實(shí)現xEV動(dòng)力總成系統中常見(jiàn)的集中式或分布式架構。在通信線(xiàn)路中斷的情況下，菊花鏈通信接口可配置為環(huán)形架構，允許主機與堆棧兩端的設備通信。器件中的8個(gè)GPIO或輔助輸入可執行外部熱敏電阻測量。

圖1：簡(jiǎn)化版BQ79616-Q1系統框圖（圖源：TI）

BMS在測量電芯的電流和電壓后，會(huì )將相關(guān)信息發(fā)送給一個(gè)應用程序，該應用程序將確定電池的SoC狀態(tài)。這些測量值通過(guò)計算電池的實(shí)際最大容量（隨著(zhù)時(shí)間的推移而減少），幫助確定電池的健康狀態(tài)（SoH）和剩余使用壽命（RUL），并據此估計電池是否仍適合運行或需要更換。通過(guò)確定每個(gè)電芯的SoC和SoH，BMS可以平衡其充電和放電，以確保所有電芯的一致性，從而延長(cháng)電池壽命并提高性能。

STMicroelectronics L99963E

STMicroelectronics的鋰離子電池監測和保護芯片L99963E，在確保電池安全運行方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。傳統上，工程師們關(guān)注的首要BMS特性是其。

準確性，因此，BMS不僅要高精度地測量每個(gè)電池單元的狀態(tài)，而且還必須非�？焖俚剡M(jìn)行測量，否則，應用程序將無(wú)法提供反映實(shí)際充電狀態(tài)的結果L99963E在測量電流以了解每個(gè)電芯的實(shí)際容量時(shí)提供了極高的精度，最大誤差僅為±2mV。此外，L99963E還具有冗余功能，能夠交叉檢查模數轉換器（ADC），以確保其準確性，如果它們不再可靠，該模塊可以迫使相鄰的ADC接管故障ADC并解決問(wèn)題。菊花鏈中的L99963E還通過(guò)提供2.66Mbps帶寬的串行總線(xiàn)進(jìn)行通信，而市場(chǎng)上很多產(chǎn)品的帶寬都在1Mbps左右。讀取和處理434個(gè)電芯，L99963E僅僅需要4ms至16ms的時(shí)間。

一個(gè)成功的BMS方案從最初的方案設計到最終產(chǎn)品落地，設計過(guò)程絕非易事。為此，ST為L(cháng)99963E提供了兩個(gè)評估板：一個(gè)是EVAL-L99963E-MCU，它包括一個(gè)微控制器，并帶有圖形用戶(hù)界面STSW-L9963E，以幫助開(kāi)發(fā)人員更快地創(chuàng )建應用程序。另一個(gè)是EVAL-L99963E-NDS，可將多個(gè)L99963E放在菊花鏈中。

圖2：鋰離子電池監測和保護芯片L99963E系統框圖（圖源：STMicroelectronics）

傳統BMS有三個(gè)主要子系統：電池管理單元（BMU）、電池接線(xiàn)盒（BJB）和電池監控單元（CSU）。BMU包含主控MCU，負責電池組的充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH）計算。SoC和SoH的精確測量是降低成本并準確表示電池壽命和續航里程的關(guān)鍵。此外，電池組電壓和電流監測、絕緣電阻測量以及接觸器和熱熔絲驅動(dòng)器所需的大部分電子設備都在BMU上。CSU包含用于電池電壓和溫度監控的電子設備，而B(niǎo)JB主要是一個(gè)機電箱，分流器、接觸器和熱熔斷器都在這個(gè)箱子里。

NXP HVBMS

NXP的高壓電池管理系統（HVBMS）參考設計采用ASIL D架構，由電池管理單元（BMU）、電芯監測單元（CMU）和電池接線(xiàn)盒（BJB）3個(gè)模塊組成。RD-HVBMSCTBUN是該公司HVBMS的參考設計套件，是一個(gè)完整的硬件解決方案。

其中，BMU是電池管理系統的控制部分，它處理來(lái)自其他BMS模塊的各種數據，做出確保BMS安全的決策，同時(shí)與整車(chē)控制器（VCU）通信，并驅動(dòng)將電池連接到汽車(chē)系統的接觸器。

RD-K344BMU是用于開(kāi)發(fā)電池管理單元（BMU）的參考設計，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型。該開(kāi)發(fā)板主要由NXP的S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等器件構成。

RD33775ACNTEVB是支持電子傳輸協(xié)議鏈路（ETPL）通信的集中式單體電池監控單元（CMU）參考設計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的四個(gè)MC33775A模擬前端（AFE）。MC33775A是14通道鋰離子電池控制器（BCC），4個(gè)MC33775A最多能容納56個(gè)單體電池，可通過(guò)向菊花鏈添加更多CMU進(jìn)行擴展。

RD772BJBTPLEVB是NXP HVBMS解決方案中的電池接線(xiàn)盒（BJB）參考設計，這個(gè)評估板包含兩個(gè)MC33772C電池傳感器，可用于冗余的高壓和電流測量，并進(jìn)行隔離測量。根據NXP官網(wǎng)的信息，上述產(chǎn)品目前僅對部分簽署了保密協(xié)議（NDA）的客戶(hù)開(kāi)放。

圖3：NXP電池管理系統解決方案參考平臺框圖（圖源：NXP）

電動(dòng)汽車(chē)BMS設計正在走向無(wú)線(xiàn)化

在電動(dòng)汽車(chē)中，電池管理系統（BMS）是確保車(chē)輛安全、續航里程和可靠性的關(guān)鍵系統，如今這一系統將迎來(lái)新一波創(chuàng )新浪潮。傳統的BMS架構需要在BMU和BJB之間鋪設許多電纜，不僅會(huì )占用電池組中的寶貴空間，還增加了汽車(chē)的重量。得益于一些主要半導體公司的一系列新產(chǎn)品，當今先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)BMS設計正在走向無(wú)線(xiàn)化。

向無(wú)線(xiàn)BMS技術(shù)轉變的汽車(chē)BMS將帶來(lái)多項優(yōu)勢：

減輕重量

電動(dòng)汽車(chē)電池系統中的電纜和線(xiàn)束非常笨重，移除這些電纜可有效減輕總重量，并為電池艙中的其他系統提供更多空間。去除電纜后，系統中的許多配件和連接器也將一同被移除，成本也會(huì )相應降低。

消減電纜設計成本

有線(xiàn)BMS中使用的電纜是需要定制，并且價(jià)格昂貴。通常，每種型號的車(chē)輛都需要重新設計，每年還要對電池系統進(jìn)行重大更改。采用全無(wú)線(xiàn)技術(shù)可有效降低這些成本。

組件易于模塊化

因為無(wú)線(xiàn)BMS不需要專(zhuān)有的電纜組件和線(xiàn)束，所以剩余的組件和系統可以高度模塊化，第三方供應商也更容易參與到設計中來(lái)。

維護更簡(jiǎn)單

移除電纜后電池的檢查和更換更方便。

綜合來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的無(wú)線(xiàn)化擺脫了CAN總線(xiàn)和SPI電纜帶來(lái)的困擾。采用無(wú)線(xiàn)架構后，用于連接電池、監視器、主機控制器、外圍設備和任何外部系統的傳統電纜在很大程度上都將被無(wú)線(xiàn)通信所取代。

如果輸出接口在IEEE 802.3ch汽車(chē)以太網(wǎng)中實(shí)現，則可以進(jìn)一步減少電纜數量、降低線(xiàn)束重量，延遲也會(huì )縮短。無(wú)線(xiàn)BMS設計是在ISM頻帶（2.4GHz）中工作的短距離射頻（RF）系統。作為一種短距無(wú)線(xiàn)系統，用于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)BMS設計與其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統一樣也會(huì )面臨很多設計挑戰。

比如，系統中的監控單元和主機控制器需要在車(chē)輛啟動(dòng)期間形成初始網(wǎng)絡(luò )，并且這一過(guò)程需要非�？焖俚赝瓿�。延遲、多徑誤差和輻射噪聲等問(wèn)題會(huì )使這一過(guò)程更加困難。此外，這些系統最好是低功耗的，以確保運行期間的低溫和長(cháng)期可靠性。

電動(dòng)汽車(chē)BMS行業(yè)的機遇

從市場(chǎng)規模來(lái)看，全球電池電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)2020年底達到797萬(wàn)輛，預計到2030年底將達到9,510萬(wàn)輛。挪威道路聯(lián)合會(huì )2023年1月2日發(fā)布的最新數據顯示，這個(gè)北歐國家2022年售出的新乘用車(chē)中，將近八成是純電動(dòng)汽車(chē)，刷新了該國的歷史紀錄。挪威人口約550萬(wàn)，去年共售出138,265輛純電動(dòng)車(chē)，占新乘用車(chē)總銷(xiāo)量的79.3%，大幅超過(guò)2021年的64.5%。

中國是全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的重要參與者，政府不斷鼓勵人們使用電動(dòng)汽車(chē)，并計劃到2040年全面禁止柴油和汽油車(chē)輛。從工信部發(fā)布的統計數據來(lái)看，2022年1－9月，中國新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成471.7萬(wàn)輛和456.7萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)1.2倍和1.1倍，市場(chǎng)占有率達到23.5%。其中純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成368.2萬(wàn)輛和357.8萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)1.0倍和97.9%；插電式混合動(dòng)力汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)分別完成103.3萬(wàn)輛和98.7萬(wàn)輛，同比分別增長(cháng)1.9倍和1.7倍。

圖4：2017年-2022年國內月度新能源汽車(chē)銷(xiāo)量及同比變化情況（圖源：工信部官網(wǎng)）

從市場(chǎng)價(jià)值來(lái)看，根據Beyond Market Insights的數據，2021全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的規模約為1,785億美元，預計到2030年將增長(cháng)至約11,088億美元，2022年至2030年間的復合年增長(cháng)率約為22.5%�？紤]到每臺車(chē)都會(huì )配備一套BMS系統，因此，BMS市場(chǎng)將是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。

根據Meticulous Market Research的預測，電動(dòng)汽車(chē)BMS市場(chǎng)預計到2029年將達到373億美元，2022年至2029年的復合年增長(cháng)率為30.5%，該市場(chǎng)的增長(cháng)主要歸因于電動(dòng)汽車(chē)的日益普及。根據配置，2022年，96至132節電池組預計將占據電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統市場(chǎng)的最大份額，HVBMS也將成為增長(cháng)最快的市場(chǎng)。然而，缺乏開(kāi)發(fā)BMS的標準化法規，以及系統成本高昂，也會(huì )對電動(dòng)汽車(chē)BMS市場(chǎng)的增長(cháng)帶來(lái)不利影響。