【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車高壓電池管理系統(tǒng) (BMS) 技術(shù)正在快速發(fā)展。設(shè)計(jì)人員正在測(cè)試各種新架構(gòu)，以增加單次充電的里程，并縮短充電時(shí)間。本白皮書對(duì)使用更高電壓的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估涉及多個(gè)組件的更嚴(yán)格要求、不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性及其對(duì)功能安全的影響。
面臨這些挑戰(zhàn)，原始設(shè)備制造商 (OEM) 開始探索可切換的新型2 x 400V / 800V架構(gòu)。它可實(shí)現(xiàn)快速充電，并復(fù)用現(xiàn)有系統(tǒng)解決方案 (如牽引逆變器)，為BMS開發(fā)人員和最終用戶提供兩全其美的解決方案。
使用800V架構(gòu)的動(dòng)機(jī)
通往快速充電之路
長久以來，有限的里程和較長的充電時(shí)間一直被認(rèn)為是電動(dòng)汽車 (EV) 普及過程中的兩大挑戰(zhàn)。新型電池化學(xué)材料和智能電池管理系統(tǒng)在擴(kuò)大行駛里程方面取得了很大成效。然而，充電速度仍是個(gè)問題，尤其是在長途旅行或時(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輛的充電速度，但這也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)電能通過電纜從充電樁進(jìn)入汽車電池時(shí)，內(nèi)置電阻在高電流導(dǎo)通下會(huì)溫度上升。因此，對(duì)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(duì)電纜進(jìn)行液體冷卻，以控制由于I2R功耗導(dǎo)致的溫度上升。因此，通過增加電壓而非電流來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廠商制造的量產(chǎn)級(jí)高壓汽車，其系統(tǒng)電壓為800V，而非常見的400V。保時(shí)捷在發(fā)布這款汽車時(shí)表示，將電池電壓增加一倍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(jí)超快速充電樁可在短短的15分鐘內(nèi)將電池充至80%的電量。然而，800V EV設(shè)計(jì)要求對(duì)所有電氣系統(tǒng)進(jìn)行新的考量，同時(shí)對(duì)與電池管理系統(tǒng)明顯相關(guān)的幾個(gè)組件提出了更嚴(yán)格的要求。
使用更高電壓的結(jié)果
更多接觸器，更高規(guī)格
與內(nèi)燃機(jī)車中的點(diǎn)火開關(guān)功能一樣，主要接觸器會(huì)在車輛停止時(shí)，對(duì)電池和牽引逆變器進(jìn)行電氣隔離，并在車輛啟動(dòng)時(shí)將兩者重新連接起來。獨(dú)立接觸器可在電池與直流鏈路和充電器總線之間建立連接和斷開連接，一條總線位于正供電軌上，另一條位于負(fù)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(xiàn)了直流快速充電。還有一些適用于車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(tǒng)400V架構(gòu)， 800V架構(gòu)需要滿足更嚴(yán)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(tǒng)都需要滿足安全、高效和可靠性要求。電池管理系統(tǒng)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(xiǎn)。盡管各連接器制造商已克服了這些問題，但成本卻高于400V架構(gòu)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(tǒng)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(shù)量就會(huì)大大減少，而且其售價(jià)可能會(huì)很高。對(duì)于400V電池，由于利用了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的成本優(yōu)勢(shì)，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(gòu)有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，汽車OEM需要分析并決定哪種架構(gòu)最適合其生產(chǎn)模型，同時(shí)確保系統(tǒng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)的一種創(chuàng)新型解決方案就是使用兩個(gè)獨(dú)立的400V電池。它們?cè)诔潆姇r(shí)串聯(lián)連接 (總共800V)，從而顯著縮短充電時(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(jìng)爭(zhēng)力，并可在不同車型中復(fù)用。
提高復(fù)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(tǒng)中的電池感測(cè)器件，即電池單元控制器 (BCC)。由于失效率 (FIT) 概率的提高，感測(cè)器件的數(shù)量增加會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)功能安全的挑戰(zhàn)。然而，ISO 26262:2018標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)BMS解決方案建議的最大殘余FIT并未改變。
BCC只獲得總系統(tǒng)FIT的一定次數(shù)，所以不能大幅增加。如果增加了它的FIT預(yù)算，則會(huì)影響系統(tǒng)其他部分的預(yù)算，從而給其他領(lǐng)域帶來更大挑戰(zhàn)，并且這只是將問題從一個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)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(shù)挑戰(zhàn)的一個(gè)創(chuàng)新型解決方案就是可切換架構(gòu)，該架構(gòu)可在電池充電時(shí)，將電壓從原來的400V轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)400V傳動(dòng)系統(tǒng)組件，如逆變器和車載充電器，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(xiàn)已準(zhǔn)備好為OEM開發(fā)這些可切換架構(gòu)提供支持，并應(yīng)對(duì)這些架構(gòu)帶來的新挑戰(zhàn)。
HVBMS 800V簡(jiǎn)要功能框圖
通用硬件和軟件支持可擴(kuò)展性
S32K3 BMS處理器
恩智浦S32K3系列控制器支持400V和800V架構(gòu)以及新型可切換架構(gòu)。這款高度可擴(kuò)展的器件基于工作頻率達(dá)240MHz的Arm?? Cortex??-M7內(nèi)核，采用可擴(kuò)展內(nèi)存空間，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級(jí)，以及分別符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)和ISO 21434網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)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型外設(shè)和引腳輸出，允許開發(fā)人員在一個(gè)芯片系列中或在S32K3產(chǎn)品組合內(nèi)的其他處理器之間輕松遷移，以利用更多內(nèi)存或功能集成，從而最大限度地復(fù) 用硬件和軟件，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，恩智浦還為不同開發(fā)階段提供易于使用的支持軟件、應(yīng)用專用的軟件以及由 廣泛的第三方生態(tài)系統(tǒng)提供的各種開發(fā)工具。
MC33665 BMS網(wǎng)關(guān)
設(shè)計(jì)人員可結(jié)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(gòu)。與目前使用的專有通信解決方案相比，該器件還允許將電池內(nèi)部的通信標(biāo)準(zhǔn)化為CAN FD通信。
通過標(biāo)準(zhǔn)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，并顯著縮短新電池型號(hào)的上市時(shí)間。通過域控制器以及與云計(jì)算和數(shù)字孿生模型的兼容性，這種電池平臺(tái)還可以輕松地對(duì)電池軟件進(jìn)行無線遠(yuǎn)程 (OTA) 升級(jí)。
MC33665可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能:收發(fā)器和網(wǎng)關(guān)。該器件安裝在BMU上，可將與電池接線盒(BJB) 和電池芯監(jiān)控單元 (CMU) 的通信捆綁在一起。由于有四條ETPL線路，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M(fèi)CU的計(jì)算電力負(fù)荷。該功能可輕松在各 自功能模塊中同步執(zhí)行電池組電流和電池電壓測(cè)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(nèi)部通信電路的穩(wěn)健性。
方案：電池架構(gòu)
該軟件定義的解決方案斷開了應(yīng)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(kuò)展BCC產(chǎn)品組合，可滿足6~18個(gè)電池芯的應(yīng)用要求，同時(shí)保證功能安全性和軟件兼容性。這種靈活性可滿足汽車行業(yè)的不同市場(chǎng)需求。
功能安全性
恩智浦開發(fā)出了FIT概率更低的新器件，以應(yīng)對(duì)功能安全挑戰(zhàn)。通過實(shí)現(xiàn)新的功能安全概念、檢測(cè)方法和安全架構(gòu)，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(zhàn)
為解決更高電壓系統(tǒng)中的EMC挑戰(zhàn)，以及800V適用的連接器的高成本問題，我們需要探索新的通信路徑。這些新路徑應(yīng)具有軟件向后兼容性，方便從當(dāng)前的先進(jìn)解決方案進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
2 x 400V / 800V可切換電池架構(gòu)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(xiàn)了快速充電，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外的傳動(dòng)系統(tǒng)組件成本。通過提供400V或800V的解決方案，以及利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)的成本優(yōu)勢(shì)，使用該架構(gòu)的OEM還可以增加其品牌產(chǎn)品的靈活性。
恩智浦作為一級(jí)供應(yīng)商的完整系統(tǒng)提供商，可提供完整可擴(kuò)展的芯片組解決方案，支持多種電池架構(gòu)的BMS功能。恩智浦提供全面的高壓電池管理系統(tǒng) (HVBMS) 參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)完全遵循ISO 26262:2018汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)的V模型，可幫助開發(fā)人員應(yīng)對(duì)新架構(gòu)方案所帶來的挑戰(zhàn)。
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