汽車FPC導讀：電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車的核心關鍵技術(shù)，其主要分為兩部分，第一部分是前端模擬測量保護電路 （AFE），包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測電路、電池平衡驅(qū)動電路、開關驅(qū)動電路、電流量測、通訊電路；第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊，就是依據(jù)電壓、電流、溫度等前端計算，并將必要的信息通過通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。目前電動汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)品設計方案，被國外廠商壟斷，都選用國外半導體IC廠商提供的電池管理IC，并以其應用方案為參考進行設計。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個本世紀才誕生的新產(chǎn)品，因為電化學反應的難以控制和材料在這個過程中性能變化的難以捉摸，所以才需要這么一個管家來時刻監(jiān)督、調(diào)整、限制電池組的行為，以保障使用安全，其主要功能為：

1.實時監(jiān)測電池狀態(tài)。通過檢測電池的外特性參數(shù)（如電壓、電流、溫度等），采用適當?shù)乃惴?，實現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)（如容量和SOC等）的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運行的基礎和關鍵；

2.在正確獲取電池的狀態(tài)后進行熱管理、電池均衡管理、充放電管理、故障報警等；

3.建立通信總線，與顯示系統(tǒng)、整車控制器和充電機等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要分為兩部分，第一部分是前端模擬測量保護電路（AFE），包括電池電壓轉(zhuǎn)換與量測電路、電池平衡驅(qū)動電路、開關驅(qū)動電路、電流量測、通訊電路；第二部分是后端數(shù)據(jù)處理模塊，就是依據(jù)電壓、電流、溫度等前端計算，并將必要的信息通過通信接口回傳給系統(tǒng)做出控制。

目前電動汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）產(chǎn)品設計方案，被國外廠商壟斷，都選用國外半導體IC廠商提供的電池管理IC，并以其應用方案為參考進行設計。

Maxim、Linear Technology（已被ADI收購）、Intersil、TI、ADI、NXP是主要方案提供商。

Maxim方案

Maxim系列產(chǎn)品構(gòu)建完備的12節(jié)電池監(jiān)測方案，Maxim的電池監(jiān)測器（MAX172XX等系列）、電池保護器（DS277X系列）以及電池選擇器（MAX1538）能夠有效延長電池工作壽命，確保安全、可靠的系統(tǒng)工作。其系列高壓器件有助于實現(xiàn)向低碳能源方案的轉(zhuǎn)變，器件集成了先進的功能，可降低電池管理系統(tǒng)的尺寸、成本和設計復雜度。消費者則可獲得更高的系統(tǒng)可靠性、更長的電池使用時間和更快的產(chǎn)品上市時間。

Maxim方案特點：

1.極大地簡化了多節(jié)電池組的設計。器件包含12個測量通道，采用電容隔離式階梯形SMBus通信總線，大大減少了元件數(shù)量，降低成本。這種獨特的架構(gòu)允許連接多達31個器件至串聯(lián)電池組，對多達372節(jié)電池進行監(jiān)測?；陔娙莸慕涌谔峁┝顺杀緲O低的電池組間隔離，消除了級聯(lián)電氣故障。

2.具有優(yōu)異性能，Maxim的高壓、小尺寸BiCMOS工藝具有業(yè)內(nèi)最高耐壓（80V）和優(yōu)異的ESD保護（±2kV，人體模式）以及熱插拔功能，在較寬的工作溫度范圍內(nèi)確保符合AEC-Q100標準，保持高度可靠性。

3.模擬前端包含12通道電壓測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一組高壓、帶故障容錯的開關輸入。高速、12位ADC對測試的電池電壓進行數(shù)字化。采用兩相掃描技術(shù)，獲取電池測量數(shù)據(jù)并修正誤差，該技術(shù)可同時測量電池電壓，在10µs內(nèi)完成全部120節(jié)電池的電壓測量采樣，即使在嘈雜系統(tǒng)中也能確保優(yōu)異的精度。在整個電池標稱工作溫度范圍內(nèi)誤差小于±0.25%，在整個AEC-Q100 2類溫度范圍內(nèi)誤差小于±20mV。

4.可將功耗降低10倍（工作模式下電流為100µA），以延長電池使用時間。獨特的內(nèi)置關斷電路將功耗降至極低水平（漏電流僅為1µA），使電池可以保存若干年，而不損耗電池電量。

5.針對汽車應用優(yōu)化設計，Maxim方案內(nèi)部具有配置和自診斷模式，這對于安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作至關重要，能夠在存在磁場和瞬態(tài)噪聲的惡劣環(huán)境下確保無故障工作。Maxim采用大電流注入、帶狀線和車內(nèi)監(jiān)測等多種方式對IC進行全面測試，確保在具有強瞬態(tài)電信號和磁場干擾的電動車電池組中可靠工作。器件具有FMEA標準規(guī)定的引腳開路和短路故障檢測功能，并能夠處理內(nèi)部電路故障。

Maxim方案圖

Linear Technology方案

Linear technology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、精準的電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口?？梢园堰@些器件串聯(lián)起來 （無需使用光耦合器或光隔離器） 以監(jiān)視到長串聯(lián)接電池中每節(jié)電池。

Linear Technology的LTC6804-1 / LTC6804-2 - 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，專為汽車和運輸應用，特定封裝的 AEC-Q100 數(shù)據(jù)。

方案特點：

1.可測量多達12個串聯(lián)電池的電壓，可堆疊式架構(gòu)能支持幾百個電池

2.內(nèi)置isoSPITM接口：1Mbps隔離式串行通信，采用單根雙絞線，長達100米，低EMI敏感度和輻射

3. 1.2mV最大總測量誤差，可在290μs內(nèi)完成系統(tǒng)中所有電池的測量：同步的電壓和電流測量

4. 具頻率可編程三階噪聲濾波器的 16 位增量累加（ΔΣ）型 ADC

5. 針對ISO26262標準的系統(tǒng)工程設計，具可編程定時器的被動電池電荷平衡

6. 5個通用的數(shù)字I/O或模擬輸入：溫度或其他傳感器輸入，可配置為一個I2C或SPI主控器

7. 4μA睡眠模式電源電流

Linear Technology方案應用圖

Intersil方案

Intersi 的ISL78600鋰離子電池管理器集成電路監(jiān)督多達12串聯(lián)連接的電池。提供準確的監(jiān)測，電池均衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。三種電池平衡模式結(jié)合-手動均衡模式，定時平衡模式和自動平衡模式。自動均衡模式下終止時表示由主機微控制器規(guī)定的電荷轉(zhuǎn)移的價值已經(jīng)達到了平衡作用。

Intersil的HEV/EV解決方案保證了客戶遵從ISO26262 （ASIL） 規(guī)范，防止電池組出現(xiàn)故障。該解決方案還對所有主要內(nèi)部功能提供了內(nèi)置的故障檢測，而且能夠檢測外部故障，例如線路中斷、過電壓和低電壓，以及溫度和電池平衡故障。

Intersil電池管理系統(tǒng)為精確的充電狀態(tài)測量提供了所需的高精確度，從而延長車輛行駛里程和高性能鋰離子電池的壽命。為了做到這一點，每個芯片都采用一個14位溫度補償式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可在250微秒內(nèi)掃描12個通道。

為了使系統(tǒng)內(nèi)的通信盡可能達到最高的可靠性，Intersil電池管理器采用高抗噪和瞬態(tài)容錯通信機制。這種全差分菊鏈架構(gòu)允許使用低成本的雙絞線將多個電池組堆疊在一起，同時防止熱插拔和較高的瞬態(tài)電壓。Intersil 解決方案的優(yōu)點可顯著降低電池管理系統(tǒng)的總體成本。

ISL78600允許通過2.5MHz SPI或400KHz I2C接口輕松地連接微控制器，并且可在-40°C至+105°C的溫度范圍內(nèi)運行。

Intersil電池管理系統(tǒng)（BMS）方案圖

TI方案

TI提供鋰離子電池監(jiān)控（適合3-16節(jié)串聯(lián)電池）、電池保護、認證和外設 IC 的多功能組合。監(jiān)控器采集重要電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器。電池保護器檢測從簡單（僅過壓）到高級（檢測更多故障）的多種故障條件，如過壓、欠壓、放電過流和短路。認證和識別 IC 提供針對電池組和配件（如充電電纜和打印機墨盒）的安全認證或識別。電池外設 IC 可通過先進技術(shù)（如主動電池平衡（ACB） 技術(shù)）大幅擴充電池組的容量。

方案特點：

TI推薦電動車所采用的主動均衡方式：每個電池芯藉由矩陣開關控制變壓器與充電線路的組合，形成一個有調(diào)整功能的電壓／電流「蓄水池」的功能，當電池芯由于多次充放電后產(chǎn)生不一致性而導致整組電池充放電容量下降，可藉由后端連接蓄水池的線路做調(diào)整，充電時不會因為監(jiān)控到某個電池芯內(nèi)壓過高而停止充電，放電時也可以完全的100%的釋放能源，進而延長電動車的行駛距離。

TI在隔離式DC-DC主動均衡技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率高達87%。像EM1410芯片組由5顆核心芯片加上5顆電源供應芯片所組成，其中最主要的 EMB1432為十四信道AFE芯片、EMB1428為七信道閘控制器芯片，與EMB1499為七信道電壓控制芯片等，來建構(gòu)十四通道雙向主動式電池芯均衡功能，串聯(lián)14顆電池芯與最高60V工作電壓，提供5V雙向均衡電壓與最大750V堆棧輸出電壓能力，并滿足AECQ-100車用電子驗證標準。

德州儀器 （TI）電池管理系統(tǒng)（BMS）方案圖

ADI 方案

ADI的AD7280A 內(nèi)置對電動汽車所用疊層鋰離子電池進行通用監(jiān)控所需的全部功能。該器件具有多路復用電池電壓和輔助ADC測量通道，可用于最多6個電池的電池管理。同時提供±3 ppm內(nèi)部基準電壓，使電池電壓精度可達±1.6 mV。ADC分辨率為12位，轉(zhuǎn)換48個單元只需7 μs時間。

AD7280A采用單VDD電源供電，電源電壓范圍為8 V至30 V（絕對最大額定值為33 V）。該器件提供六個差分模擬輸入通道，以處理整個VDD范圍內(nèi)的大共模信號。各通道允許的輸入信號范圍（VIN（+）至VIN（−））為1 V至5 V。輸入引腳可接受六個串聯(lián)疊置的電池。此外器件內(nèi)置六個輔助ADC輸入通道，可用于溫度測量或系統(tǒng)診斷。

AD7280A內(nèi)置片內(nèi)寄存器，可根據(jù)應用要求對通道測量的時序進行編程。另外還內(nèi)置動態(tài)提醒功能，可檢測電池電壓或輔助ADC輸入是否超出用戶定義的上限或下限。AD7280A具有電池平衡接口輸出，用來控制外部FET晶體管，允許各電池放電。

AD7280A內(nèi)置的自測功能可在內(nèi)部將一個已知電壓施加于ADC輸入。利用菊花鏈接口，最多可將八個器件堆疊起來，而無需單獨的器件隔離。

AD7280A僅需一個電源引腳，正常工作條件下的功耗為6.5 mA，轉(zhuǎn)換速率為1 MSPS。

ADI 電池管理系統(tǒng)（BMS）方案圖

NXP 方案

世平集團推出基于NXP芯片的汽車BMS電池管理系統(tǒng)解決方案， 可監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度， 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度。

方案規(guī)格：

① 監(jiān)測單節(jié)電池的電壓、溫度

② 監(jiān)測整串的電壓、電流、溫度

③ 單節(jié)電池間被動均衡功能

④ 電池包間CAN 總線或者菊花鏈連接

⑤ 帶有多種保護和診斷功能

⑥ 單顆 MC33771可監(jiān)測8-14串電池

⑦ 內(nèi)置被動均衡 MOSFET，最大支持300mA被動均衡電流

⑧ 內(nèi)置庫倫計，用于電流檢測

⑨ ASILC芯片功能安全等級

⑩ 最高支持15 顆MC33771級聯(lián)

? 檢測精度2mV

? 支持43種內(nèi)部自檢測功能

? 65us內(nèi)同步測量電壓電流

功能框圖：

技術(shù)先進、產(chǎn)品穩(wěn)定可靠是這六家國外公司電池管理產(chǎn)品的核心特點，從技術(shù)、功能、品質(zhì)、標準規(guī)范四個維度闡釋了他們的競爭力。