【導(dǎo)讀】我們常說的BMS(電池管理系統(tǒng))功能主要有三種:通過測量動力電池的荷電狀態(tài),為駕駛員提供剩余的使用電量,以便提醒駕駛員能及時為電動電池進(jìn)行充電;其次是對電池溫度進(jìn)行監(jiān)控管理,檢測電池工作時的溫度,并使用吹分機或散熱片來確保電池工作在最佳狀態(tài);最后是實現(xiàn)電池的均衡管理,由于出廠制造誤差、或者使用過程中的存在通風(fēng)性差異,電化學(xué)性能轉(zhuǎn)換不一等情況,對電池電壓、剩余電量進(jìn)行檢測,以防過度充電。
在BMS開發(fā)過程中,對BMS的危害分析有過壓(過充)、欠壓、過溫和過流等危害事件,如過壓可能是一個比較嚴(yán)重的事件,尤其長時間對電池過充會導(dǎo)致電池性能下降和不可恢復(fù)性損壞,甚至導(dǎo)致電池變形、漏液情況發(fā)生。那么,對于BMS系統(tǒng)安全設(shè)計的目標(biāo)就是能夠及時發(fā)現(xiàn)電池過充、并通過合理的危害分析及評估,從單點失效和潛在失效等方面考慮設(shè)計安全機制,最后做出恰當(dāng)及時的處理。
恩智浦符合BMS功能安全的參考設(shè)計
恩智浦提供完整的電池管理系統(tǒng)解決方案,包括微控制器MCU、模擬前端電池控制器IC、隔離網(wǎng)絡(luò)高速收發(fā)器、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片SBC等。借助恩智浦的BMS方案,客戶可輕易實現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡(luò)或菊花鏈的電池管理系統(tǒng)。恩智浦提供多種符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的器件,主控單元MPC574xP安全等級達(dá)到ASIL-D,模擬前端電池控制器MC33771安全等級達(dá)到ASIL-C,SBC(System Basic Chip)系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65安全等級達(dá)到ASIL-D。采用這套方案可簡化軟硬件設(shè)計,幫助客戶輕松實現(xiàn)系統(tǒng)安全等級達(dá)到ASIL-C/D。此外,恩智浦提供符合功能安全的參考設(shè)計,極大加速客戶開發(fā)符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的BMS產(chǎn)品。
恩智浦BMS菊花鏈?zhǔn)浇鉀Q方案
在該方案中,主控單元采用的MPC574xP是一款基于Power architecture、具有l(wèi)ock step核的高性能、高安全性MCU。
SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65不僅提供多種可配置的電源選擇,而且提供電源監(jiān)控和眾多安全機制,支持fail-safe安全保護模式,MCU搭配SBC系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片可實現(xiàn)更高的安全等級。
模擬前端MC33771負(fù)責(zé)電池數(shù)據(jù)的采集,一個MC33771最多可以接14節(jié)單體電池,多個MC33771可以級聯(lián)形成菊花鏈?zhǔn)酵ㄐ拧?/div>
MC33664作為MCU和MC33771的傳輸物理層,負(fù)責(zé)將SPI信號和差分信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
恩智浦的BMS解決方案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括集中式、分布式菊花鏈結(jié)構(gòu)以及集中式、分布式CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。菊花鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)可顯著降低BOM成本,受制于通信距離限制,在目前的大巴車上,目前主要是基于CAN總線通信。恩智浦提供的BMS解決方案具有極大的靈活性,可滿足不同客戶的需求。
鑒于目前國內(nèi)市場基于ISO26262的開發(fā)還處于起步階段,部分車廠和供應(yīng)商的功能安全開發(fā)經(jīng)驗不足,導(dǎo)致開發(fā)符合IS026262標(biāo)準(zhǔn)的BMS難度較大,并且要一下子達(dá)到系統(tǒng)級ASIL-C/D,系統(tǒng)開發(fā)成本高,挑戰(zhàn)性巨大。針對這種情況,恩智浦提供一種具有低成本優(yōu)勢的方案,推薦主控單元MCU采用具有超高性價比的S32K14x,該系列MCU基于ARM Cortex M4內(nèi)核,按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,結(jié)合外部的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片F(xiàn)S45/65等,可使系統(tǒng)安全等級達(dá)到ASIL-B。另外,單個S32K14x達(dá)到ASIL-B等級,通過軟硬件冗余設(shè)計也能使系統(tǒng)達(dá)到更高的安全等級ASIL-C。
恩智浦BMS CAN網(wǎng)絡(luò)解決方案
需要指出的是,在恩智浦公司,所有按照ISO26262標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的器件,都被囊括在恩智浦的SafeAssure計劃里。SafeAssure 保證開發(fā)的產(chǎn)品符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn),并提供必要的支持,提供功能安全相關(guān)的文檔,如Safety Manual 和FMEDA等,Safety Manual詳細(xì)闡述了芯片所采用安全機制,并指導(dǎo)用戶如何使用芯片可以達(dá)到比較高的安全性等級。FMEDA展示了芯片失效模型、失效概率和診斷分析等,客戶可根據(jù)具體應(yīng)用需求對FMEDA進(jìn)行裁剪。
意法半導(dǎo)體面向車載多媒體、支持局域網(wǎng)節(jié)能電源IC
(一)集成式多媒體mosfet電源管理芯片L5961
作為ST首款集成式MOSFET(面向媒體的系統(tǒng)傳輸)網(wǎng)絡(luò)電源管理方案,電源管理IC L5961面向目標(biāo)為車載多媒體、信息娛樂系統(tǒng)。意法的mosfet技術(shù)主要用于在汽車環(huán)境內(nèi)輕松地增裝CD或DVD播放器、車用收音機、個人導(dǎo)航儀等各種多媒體設(shè)備。
新款電源管理IC用于支持SMSC的mosfet網(wǎng)絡(luò)處理。L5961整合了電源和MOST兼容電源管理控制邏輯電路,以及強化的診斷和完備的系統(tǒng)監(jiān)控功能(電源電壓、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、喚醒事件和溫度)。
L5961電源管理芯片與SMSC網(wǎng)絡(luò)處理器組成芯片組,可充當(dāng)任何一個MOST網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成模塊,而且讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間保持更大的獨立性,網(wǎng)絡(luò)中某一設(shè)備的開關(guān)時序或設(shè)備故障不會影響聯(lián)網(wǎng)的其它設(shè)備。當(dāng)芯片組通過驗證即可用于所有mosfet應(yīng)用,無需重復(fù)進(jìn)行驗證。
ST L5961集成電源管理控制邏輯電路及電源設(shè)計,印刷電路板尺寸縮小、制造成本和總體擁有成本更低、以及帶來更小的待機功耗。L5961支持多種功耗模式,其中超零功耗模式的正常靜態(tài)電流僅為5μA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分立器件取得的數(shù)值。
L5961的其它特性包括:集成一個給網(wǎng)絡(luò)處理器以及一個外接低壓設(shè)備供電的5V或3.3V、650mA DC-DC轉(zhuǎn)換器,兩個給光纖發(fā)射器和接收器供電的穩(wěn)壓器,具有診斷功能的網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器,此外還集成三個電源電壓監(jiān)測用電池檢測器,在目前的分立器件解決方案中,電池檢測器是單獨存在的功能。
(二)最新CAN技術(shù)規(guī)范、支持局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)能減耗電源IC L99PM72PXP
意法推出的新款汽車電源管理系統(tǒng)IC L99PM72PXP,可支持先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的汽車IC,大幅改善汽車燃油效率和尾氣二氧化碳排放量。通過局域網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗的目的,這項最新CAN技術(shù)規(guī)范的新功能可將汽車CO2 排放量降低2g/km以上。
新款電源管理IC L99PM72PXP通過單片整合高速CAN(HS-CAN)和LIN物理層功能,新產(chǎn)品擁有制造完整車身電子控制器單元(ECU)所需的全部功能。該產(chǎn)品的設(shè)計針對某些特定用途,如空調(diào)控制模塊和車門控制器單元,以及車座椅模塊、后備廂模塊、掛車模塊、天窗模塊和后視鏡模塊。
與市場現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CAN收發(fā)器或系統(tǒng)芯片不同的是,L99PM72PXP能夠自主監(jiān)控CAN總線,無需模塊的主處理器介入,只有檢測到正確地址的喚醒信號時才會啟動,L99PM72PXP以這種方式關(guān)閉CAN的局部網(wǎng)絡(luò),有助于降低汽車的整體能耗。
先進(jìn)的失效保護功能是L99PM72PXP附加且獨有的功能,可改進(jìn)電子控制器的穩(wěn)定性和可靠性。內(nèi)置的微控制器監(jiān)控、電源電壓監(jiān)控以及溫度監(jiān)控等保護功能為避免故障發(fā)生提供最有力的保障。此外,新產(chǎn)品集成大量具有成本效益的外設(shè)功能,如上下橋臂驅(qū)動器、運算放大器和穩(wěn)壓器,從而能夠減少外部元器件的數(shù)量,進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的總體成本。
凌力爾特整合電池組監(jiān)視器+SmartMesh無線網(wǎng)格BMS系統(tǒng)
凌力爾特提供門類齊全的高性能電池充電器產(chǎn)品線,這些充電器IC提供諸多的電池安全及管理標(biāo)準(zhǔn)功能,包括片上電池預(yù)查驗、熱調(diào)節(jié)、NTC 接口以及采用 SMBus 或 I2C 接口的雙智能型電池系統(tǒng)管理。
在電池管理方面,凌力爾特提供如電池充電器 IC、PMIC、USB電源管理器、電池電量測試芯片、多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器、電池平衡器及無線功率傳輸?shù)鹊取?/div>
今年初慕尼黑上海電子展上,凌力爾特展示了業(yè)界首款無線電池管理系統(tǒng) (BMS) 概念車。這款無線 BMS 概念車由凌力爾特的設(shè)計合作伙伴 LION Smart 開發(fā),它把凌力爾特高度準(zhǔn)確的電池組監(jiān)視器及 SmartMesh? 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在 BMW i3 車型上進(jìn)行了整合,取代了電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。
SmartMesh IP 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)
整合型BMS系統(tǒng)采用LTC6811電池組監(jiān)視器,這是一款面向混合動力 / 電動汽車的完整電池測量器件,能夠測量多達(dá) 12 個串接式電池的電壓,并具有優(yōu)于 0.04% 的準(zhǔn)確度。把 LTC6811 與凌力爾特的 SmartMesh 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相組合,可解決汽車配線線束和連接器所引起并長期存在的可靠性問題。
多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器
凌力爾特的多節(jié)電池、高電壓電池組監(jiān)視器系列是完整的電池監(jiān)視 IC,它們內(nèi)置了 12 位 ADC、精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。可以把這些器件串聯(lián)起來 (無需使用光耦合器或光隔離器) 以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池。
該監(jiān)視器系列的應(yīng)用包括電動汽車和混合動力汽車、高功率便攜式設(shè)備、備份電池系統(tǒng)和高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
具備高精準(zhǔn)度的LTC6801/6802/6803電池組監(jiān)視器系列
LTC6802-1 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器
特點:
1.可測量多達(dá) 12 個串聯(lián)鋰離子電池的電壓 (最大值為 60V)
2.可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn) > 1000V 的系統(tǒng)
3.0.25% 的最大總測量誤差
4.可在 13ms 完成一個系統(tǒng)中所有電池的測量
5.電量平衡:
- 內(nèi)置無源電量平衡開關(guān)
- 提供片外無源電量平衡
6.具兩個熱敏電阻輸入和內(nèi)置溫度傳感器
7.1MHz 可菊鏈?zhǔn)竭B接的串行接口
8.抗 EMI 的能力高
9.具內(nèi)置噪聲濾波器的 ΔΣ 轉(zhuǎn)換器
10.導(dǎo)線開路連接故障檢測
11.低功率模式
12.采用 44 引腳 SSOP 封裝
典型應(yīng)用:
- 電動汽車和混合動力汽車
- 高功率便攜式設(shè)備
- 備份電池系統(tǒng)
- 高電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
電池平衡器LTC3300/LT8584系列
LTC3300 是一款故障保護控制器 IC,適用于對多節(jié)電池的電池組進(jìn)行基于變壓器的雙向主動電荷平衡。該器件集成了所有相關(guān)的柵極驅(qū)動電路、高精度電池感測、故障檢測電路和一個帶內(nèi)置看門狗定時器的堅固型串行接口。
每個 LTC3300 能利用一個高達(dá) 36V 的輸入共模電壓對多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)連接的電池進(jìn)行電荷平衡。來自任意選定電池的電荷能以高效率在其自身與 12 節(jié)或更多節(jié)相鄰的電池之間來回傳輸。一個獨特的電平移位 SPI 兼容型串行接口能在不采用光耦合器或隔離器的情況下完成多個 LTC3300-1 器件的串聯(lián)連接,從而實現(xiàn)長串串接電池中每節(jié)電池的電荷平衡。
LT8584 是一款單片式反激 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,專為主動平衡高電壓電池組而設(shè)計。開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率顯著地增加了可實現(xiàn)的平衡電流,同時減少了發(fā)熱量。另外,主動平衡還可實現(xiàn)失配電池組的容量恢復(fù),這是采用被動平衡系統(tǒng)無法獲得的特性。在典型系統(tǒng)中,可恢復(fù)超過 99% 的總電池容量。
LTC3300-1 - 高效率雙向多節(jié)電池的電池組平衡器
特點:
- 可實現(xiàn)多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)鋰離子或磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池的雙向同步反激式平衡
- 高達(dá) 10A 的平衡電流 (由外部組件設(shè)定)
- 與 LTC680x 系列的多節(jié)電池組監(jiān)視器無縫集成
- 雙向架構(gòu)最大限度地減少了平衡時間和耗散功率
- 電荷轉(zhuǎn)移效率高達(dá) 92%
- 可堆迭式架構(gòu)可用于 >1000V 的系統(tǒng)
- 使用簡單的雙繞組變壓器
- 1MHz 可菊鏈?zhǔn)酱薪涌趲в?4 位 CRC 包錯誤檢查
- 高噪聲裕度串行通信
- 眾多的故障保護功能
- 48 引腳帶裸露襯墊 QFN 封裝和 LQFP 封裝
典型應(yīng)用:
- 電動汽車 / 插電式混合動力汽車 (HEV)
- 大功率 UPS / 電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)
- 通用型多節(jié)電池的電池組
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