【導讀】電池管理系統 (BMS) 正悄然改變著(zhù)電動(dòng)交通工具。今年年初，意法半導體發(fā)布了L9963E電池監測保護芯片，旨在解決全球包括中國新能源汽車(chē)共同面臨的電池管理系統設計難題。新產(chǎn)品采用一個(gè)獨特的架構，能夠測量4到14個(gè)串聯(lián)電池單體，樣本信號之間解除同步?jīng)]有任何延遲，測試結果證明，雖然可以菊鏈式連接 31個(gè)L9963E，但是整鏈延遲仍然不到 4 μs。
然而，L9963E 遠不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓測量器或典型的庫侖計算器，因此，我們還發(fā)布了一份白皮書(shū)深入探討 BMS 設計的復雜性。此外，為了進(jìn)一步幫助工程師和決策者設計BMS，我們還想探討一下在開(kāi)發(fā)電池管理系統時(shí)必須考慮的五個(gè)事項。
為什么要用電池管理系統？
BMS 測量電池單體的電流和電壓，并將信息發(fā)送給荷電狀態(tài) SOC應用系統，確定電池的運行狀態(tài)。在使用一段時(shí)間后，電池實(shí)際最大容量會(huì )降低。BMS的測量數據可以計算電池的實(shí)際最大容量，幫助系統確定電池的健康狀態(tài) (SOH) 和剩余使用壽命 (RUL)，估算電池是否仍然在正常工作或者是否需要更換，并可以啟用附加的電池優(yōu)化功能。通過(guò)確定每個(gè)電池單體的 SOC 和 SOH狀況，BMS 可以均衡電池單體的充放電操作，確保所有電池單體損耗均勻一致，從而延長(cháng)電池的使用壽命并得到更高性能?，F在，L9963E 還在確保電池安全運行方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
1.注意測量的準確度和速度
理解準確度
電動(dòng)汽車(chē)中的動(dòng)力電池包
一直以來(lái)，工程師首先關(guān)注的是 BMS 的測量準確度。如果系統測量數據不準確，缺乏有價(jià)值的信息，用戶(hù)將會(huì )有巨大的挫敗感。因此，在BMS 測量每個(gè)電池單體的狀態(tài)時(shí)，準確度必須非常高，而且速度也必須非?？?，否則，當芯片讀完電池組的最后一個(gè)單體時(shí)，第一個(gè)單體的報告測量值已經(jīng)不再準確，應用系統無(wú)法提供真實(shí)反映電池荷電狀態(tài)的結果。
最大誤差±2 mV
L9963E 的電壓測量準確度非常高，最大誤差為 ±2 mV，同時(shí)還能測量電流，了解每個(gè)電池單體的實(shí)際容量。此外，該產(chǎn)品的架構確保每個(gè)電池單體都有專(zhuān)門(mén)的資源用于處理芯片監測到的電數據，而市面同類(lèi)產(chǎn)品通常在電池單體之間共享數據處理資源。通過(guò)為每個(gè)單體提供專(zhuān)用處理資源，我們可以提供同步讀數，并可以避免因解除同步而引起的延遲。在菊鏈式網(wǎng)絡(luò )結構內，L9963E 還可以通過(guò)串行總線(xiàn)通信，帶寬達到2.66 Mbps，而業(yè)內帶寬大多數都徘徊在 1 Mbps 左右。因此，讀取和處理 434 個(gè)電池單體需要 4 毫秒到 16 毫秒。
2. 電池管理系統：注意安全性，這是重中之重
了解安全性
BMS 安全性往往會(huì )被很多設計人員所忽視。BMS系統的測量準確度有助于提高電池性能，還可以確定在電池上是否存在過(guò)壓和欠壓，或者是否出現過(guò)熱或過(guò)流。如，在發(fā)生碰撞事故時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)必須能夠判斷電池參數不在正常安全值內，并立即啟動(dòng)電池關(guān)閉程序，否則會(huì )造成災難性損失。
獨特冗余
這些功能要求芯片具有很高的魯棒性，即使在惡劣環(huán)境下仍能正常工作。防止讀數錯誤也很重要，在汽車(chē)高速巡航時(shí)，讀數錯誤會(huì )導致電池包關(guān)閉，這是非常危險的。L9963E 具有獨特的冗余功能，能夠交叉檢查模數轉換器 (ADC)，確保轉換結果準確無(wú)誤。如果當前ADC發(fā)生異常，L9963E可以強制相鄰的 ADC 接管異常ADC 并排除故障。
3.注重性?xún)r(jià)比
EVAL-L9963E-MCU
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)變得越便宜，成本制約因素變得越重要。功能強大但價(jià)格太高的芯片會(huì )失去大部分吸引力。與眾不同的是，L9963E提供豐富的功能，但是沒(méi)有增加裸片尺寸，繼續保持成本效益。此外，傳統的 BMS芯片要求每個(gè)電池單體必須并聯(lián)一個(gè)外部齊納二極管。在組裝過(guò)程中，系統無(wú)法知道哪個(gè)電池單體第一個(gè)接觸連接器，而且，這始終是一個(gè)隨機事件，因此，每個(gè)電池單體上的齊納二極管都要保護電池管理芯片。L9963E采用熱插拔和穩健架構，工程師可以不用這些齊納二極管，從而簡(jiǎn)化了印刷電路板布局，降低了總體成本。
4. 兩塊評估板配合一個(gè)強大的 MCU，不僅可以開(kāi)發(fā)原型，還能擴大視野
了解生態(tài)系統
成功的電池管理系統始于簡(jiǎn)易的概念驗證。ST 為 L9963E 提供兩塊評估板。第一塊評估板EVAL-L9963E-MCU包括一個(gè)微控制器，并帶有圖形用戶(hù)界面軟件STSW-L9963E，可幫助開(kāi)發(fā)人員更快地創(chuàng )建應用。第二塊評估板EVAL-L9963E-NDS插接在第一塊板子上，可以菊花鏈連接多個(gè)L9963E評估板。
L9963E 與 SPC58 Chorus配合使用
EVAL-L9963E-NDS
有許多客戶(hù)都喜歡將 L9963E 與 SPC58 Chorus MCU搭配使用，因為應用需要保存 BMS系統輸出的大量數據點(diǎn)，這款微控制器具有6 MB 或更高的存儲空間，可以滿(mǎn)足該應用的全部存儲需求，多核架構使開(kāi)發(fā)人員能夠專(zhuān)門(mén)指定一個(gè)核心處理電池管理任務(wù)，把其他核心分配給其他常見(jiàn)應用。這款MCU還有很多外設接口，包括6條FlexCAN總線(xiàn)，讓整個(gè)設計更加靈活。
5.電池管理系統：關(guān)注未來(lái)，著(zhù)眼現在
所有工程師在設計產(chǎn)品時(shí)都力圖著(zhù)眼于未來(lái)，但是，對于電池管理系統，設計不僅要考慮到明天的汽車(chē)，還要考慮到目前正在使用 BMS 的所有新產(chǎn)品，如，電動(dòng)自行車(chē)和踏板車(chē)，或便攜式醫療設備等。L9963E 的應用靈活性較高，除傳統電動(dòng)汽車(chē)外，還適用于其他的很多設計。最少能夠測量四個(gè)電池單體，10 毫米 x 10 毫米 TQFP64EP 小封裝，以及成本效益，這些優(yōu)點(diǎn)讓一家企業(yè)可以使用相同的 ST 器件輕松開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的車(chē)輛或應用，從而節省開(kāi)發(fā)成本。
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