汽車電池管理市場是否已準備好標準化?

　　Bart De Cock （安森美半導體 產品經理）

　　Serge Peeters （VITO/EnergyVille 業(yè)務拓展）

　　Jeroen Büscher （VITO/EnergyVille 產品經理）

　　摘 要：不斷變化的BMS要求正在推動CVM IC供應商進行大量的開發(fā)工作。同時，缺乏標準接口使OEM和電池系統制造商很難更換CVM IC供應商。不同的OEM廠商總是會有不同的需求，因此基于模塊和基于單元的BMS方案將并存，有線或無線以及有無微控制器。如果將第二次使用的要求考慮在內，并選擇一些標準的BMS內部接口，則投資效率將會提高。為了增加潛在方案的靈活性并實現新興標準，提出了分兩步走的方法，第一步是在獨立的CVM和通信功能之間創(chuàng)建一個行業(yè)范圍內的類似于SPI的標準接口。

　　關鍵詞：汽車；BMS；CVM；EV；PHEV

　　電動或插電式混合動力汽車(EV或PHEV)中的典型鋰離子電池組將含約100個電池元件(電池或并聯的電池)的串聯串。鋰離子電池需要通過電池管理系統(BMS)進行仔細的電壓和溫度監(jiān)控。在使用鋰離子電池充放電過程中，熱管理是個關鍵要求，因其溫度需要保持在工作范圍內。鋰離子電池需要“保暖”才能正常工作，但在使用時會發(fā)熱，因此BMS必須能夠加熱和冷卻電池，或者至少由于這些原因需要監(jiān)視其溫度。如今，幾乎所有整車廠商(OEM)、tier-1電池系統供應商和芯片供應商都將有自己的BMS方案。預計未來幾年道路上的EV/PHEV汽車的數量將穩(wěn)定增長，BMS硬件供應鏈中的任何變化都將成為問題。數量增加以及技術和/或經濟參數的變化可能會迫使BMS硅供應商改變。但是，由于硅供應商不提供兼容的硬件，因此，為BMS選擇另一種芯片意味著tier-1和OEM廠商將面臨漫長的重新開發(fā)和重新認證周期，這需要大量投資，同時存在著與驗證和認證有關的風險。

　　在“芯片內”的詳細工作方面，使硅片供應商保持一致將是個挑戰(zhàn)，因為每個供應商的開發(fā)團隊都有自己的知識產權(IP)。但只要所有方案都向主機控制器提供相似的數據(如通過寄存器)，就不需要完全一致。對于tier-1和OEM，可使用標準系統接口訪問不同供應商的IC，這些IC在主要功能方面表現類似。這將擴展到包括為滿足功能安全(FuSa)要求而采用的拓撲方法，如ISO 26262標準中所述。

　　檢查市場上目前可見的各種BMS拓撲的優(yōu)缺點，很明顯，方案之間的差異主要涉及以下問題：這是否應該是模塊化BMS(即1個IC監(jiān)視多個電池元件串)(圖1)，或電池級BMS(即1個IC監(jiān)視單個電池元件)；應該使用有線還是無線網絡；并且涉及微控制器或狀態(tài)機。盡管每種可用的拓撲都應該存在，但如果有解決這所有問題的硅標準可用，將加速市場采用。

　　1 對標準化的探索

　　預測安裝在乘用車中的鋰離子電池數的增長速度幾乎是不可能的，已知的趨勢是上升。這主要是因為電池改善了汽車的全輪驅動能效。添加48 V系統最多可提高小型汽車25％的燃油消耗，而基于插電式混合動力汽車(PHEV)系統的大型汽車在短途通勤期間可實現與全電動汽車(EV)相當的燃油能效。

　　盡管全電動動力總成系統具有許多優(yōu)勢，但對于許多車主來說，轉向全電動汽車目前尚不可行或在財務上不可行。但是，在不久的將來，來自越來越多的可再生能源工廠的剩余電力將為生產電子燃料提供基礎； 由氫氣(通過使用“綠色”電能電解水產生)和捕獲的二氧化碳結合而成。由此產生的電子燃料將與當前的燃料分配供應鏈兼容，并適用于現有的內燃機(ICE)技術。這可能會進一步推動混合動力的采用，因為電力和碳中性傳動系統的組合可能會吸引消費者和政府。

　　盡管目前有一些針對電池測試、安全性要求、尺寸方面和充電的標準(http://www.batterystandards.info/^[1])，但R. Ratz^[2]是最早確定還需要標準化電池管理系統(BMS)電子結構的標準之一。Everlasting^[3]項目的最新出版物研究了適用于BMS的標準，并討論了該領域中的現有差距。提出了BMS中可能標準化的不同項目，但是一個關鍵因素仍然存在：現有的電池管理IC不兼容。

　　2 現有的拓撲和架構

　　BMS通常包含一個或多個單元電壓測量(CVM)從站，這些從站通過BMS內部通信網絡與BMS主站聯接。CVM從站可以按單元、按串聯安裝的堆疊電池、按并聯電池或者任意組合進行組織。如果CVM監(jiān)視堆疊的串聯電池，則適用術語“模塊化BMS”，而術語“單元級BMS”是指CVM連接到單個電池或多個并聯電池的拓撲。

　　1) 模塊化BMS

　　模塊化BMS中CVM IC需要監(jiān)視的最大電壓由電池技術和串聯的電池數定義。雖然總電壓可能高得多，但將每個模塊的最大電壓限制為60V或更低是有利的，因為它需要的生產和維護程序不那么復雜。使用多個電池來設計模塊也是有利的，因為這減少了每個電池的成本，同時最小化系統中的模塊數。這意味著，視乎電池的類型、大小、形狀和最大電壓，以及最實際的模塊體積和重量，CVM IC可以監(jiān)視6～24個串聯電池。這凸顯了模塊化方法的弱點；在每個單元和模塊的PCB之間采用有線連接是一項繁瑣的任務。難以自動化這個工作。另一個缺點是需要特定的機械和熱設計以及認證工作，這會導致成本增加，尤其是在產量相對較小的情況下。

　　但是，優(yōu)點之一是車廠或tier-1可設計針對不同電池組的一種模塊類型，以用于多種車型，這將有助于實現具有成本效益的批量生產。這些模塊是低壓子系統，一旦組裝和測試，拆開電池組后就可以收回大部分的開發(fā)和制造成本。(假設這些模塊已開發(fā)為可在二次使用的應用程序中使用而無須更改硬件，請參見下文)。

　　每個模塊的電池數相對較高的可變性不一定會給CVM IC的內部架構帶來巨大挑戰(zhàn)。專用于與電池單元連接的實際硅面積可能相對較小。據估計，IC制造商可以重新封裝兩個不同的硅裸片來尋址6～24個串聯電池。高性價比的平衡元器件與CVM IC一起安裝在標準PCB上，并且該模塊甚至不需要包含微控制器。此外，每個模塊僅需要通信接口，高精度電壓基準和大的低歐姆晶體管則可以關閉單個模塊，因此通常每個單元的電子器件成本可以保持較低。含嵌入式微控制器和先進功能(如數據預處理，EIS(電化學阻抗譜)或無線連接）的智能模塊將導致每個電池的成本僅適度增加。

　　2) 單元級BMS

　　單元級BMS的優(yōu)勢在于CVM IC直接與電池通信，從而更易于精確的溫度監(jiān)測和EIS，甚至可以進行壓力測量。兼容5 V的硅工藝足以構建CVM，從而實現更高的集成度和更高的處理能力(如增加了數字信號處理或微控制器)，非常接近電池化學反應。需要專用的供應鏈，因為電池制造商應向機電一體化/電子子系統制造發(fā)展，將緊湊的電子電路嵌入電池內或連接到電池。值得注意的是，原始設備制造商(OEM)在鋰離子電池制造設施上的投資越來越多，有可能在將來保留所有選項以嵌入電子定制。

　　單元級BMS的另一個優(yōu)勢是完全沒有CVM模塊以及與之相關的所有成本。一個潛在的缺點是電子器件的成本上升，不僅由于獲取、處理和通信數據，而且由于電池平衡的耗散用于管理電池溫度。如果該應用需要如鈦酸鋰(LTO)之類的電池類型，則每個電池組的電子器件成本會進一步增加，開發(fā)相同系統電壓，串聯所需要的電池數約為普通鋰離子電池的兩倍。最后，每個電池的無線通信節(jié)點需要仔細設計，以避免節(jié)點之間的干擾，而每個電池的有線隔離通信接口說明有大量隔離元器件。

　　不過，這拓撲可以為OEM提供足夠的功能和系統優(yōu)勢，以抵消每個單元的電子器件相對較高的成本。

　　3 電池的第二次使用

正如UN^[4]發(fā)布的一篇文章中提到的那樣，循環(huán)經濟對于實現《巴黎氣候協定》的目標至關重要。但是，當考慮將汽車電池重新用于固定式應用^[5]時，現今存在許多不確定因素，仍有許多工作要做。一個重要方面是，從電池系統開發(fā)開始就必須考慮電池子系統的重用要求。例如，重用模塊(或單元級BMS中的單元)比重用整個汽車包更可行。出于安全考慮，住宅儲能方案通常限制在60 V或以下，這在很大程度上與汽車模塊兼容。另一個方面是，重新用于第二次應用的汽車電池應具有一定的預期壽命保證。這可通過帶有健康狀態(tài)(SoH)估計的本地EIS以及集成在電池子系統中的EEPROM存儲器來存儲歷史電池使用數據來確保。目前尚不清楚是否需要在單元或模塊中使用微控制器，只要第一次使用和第二使用的BMS可以訪問此功能和內存即可。因此，無論選擇了模塊化BMS還是單元級BMS，二次使用BMS都應該能夠利用最初應用的數據和通信接口。如果單元或模塊包含帶有OEM專用軟件的微控制器，則也應該可以完全刪除、禁用或替換該軟件。然后，將具有新附加值的軟件和專用IP加載到靈活的硬件平臺上，以創(chuàng)建第二次(重新)制造的應用程序。顯然，在解決電池管理芯片組的任何可能標準化問題時，第二次使用考慮因素將影響要求^[6]。

　　4 采取步驟邁向標準化

　　查看市場上現有的不同CVM IC及其BMS內部通信接口，可以看出，大多數通信接口目前都是專有的，并受到專利保護（圖2）。

　　盡管可以對單個CVM方案進行成本優(yōu)化，但從其他制造商處選擇CVM芯片也意味著更改通信接口，從而導致開發(fā)周期長，驗證和認證過程中存在大量投資和風險。同時，由于需求不斷變化，用于模塊化BMS架構的單個CVM IC方案也在不斷進行審查。通過不斷發(fā)展的過程，行業(yè)成員正在嘗試維護盡可能多的體系結構，僅添加所需的那些功能。但是，新功能正變得非常多樣化，需要進行重大的硅片更改，如增加無線接口，用于控制切換FET的轉接驅動器，EIS功能的引入或附加微控制器以提供額外的預處理或更大的模塊靈活性。這種變化水平帶來了重新思考CVM IC方法和尋求CVM IC之間更多標準化的機會，從而避免了過去的缺陷。

　　從前面有關選擇模塊化或單元級BMS的討論中可以明顯看出，模塊化BMS中使用的IC與單元級BMS中使用的IC完全不同。但是，通過將單元監(jiān)視功能與通信功能分離開來采取兩步走的方法，在CVM接口方面似乎有一些標準化的空間(圖3)。

　　舉例來說，行業(yè)成員可以在CVM IC和通信IC之間定義一個準標準的串行外設接口(SPI)，并具有商定的最小命令子集和各種數據的定義位置，例如：電壓和溫度讀數；平衡指令；欠壓和過壓閾值；FuSa方法和循環(huán)冗余校驗(CRC)的大小。該通用協議將使電池電壓監(jiān)視功能與通信接口分離，并允許OEM和供應商為應用選擇最合適的兩芯片設計方法。

　　大多數無線和電力線通信(PLC)方案是基于具有閃存的嵌入式微控制器的自然軟件定義的應用。盡管這與實現更高集成度的要求非常吻合，但這些IC技術通常專注于面向物聯網(IoT)的消費類產品，因此不符合用于模塊化BMS中CVM IC的混合信號汽車工藝（<60 V）。因此，最好的架構是兩芯片法。在兩個單獨的集成器件中托管CVM和通信功能。邁向更高集成度的第二步可能是將這些器件封裝在同一封裝中。有線通信接口可能仍然需要其他收發(fā)器基礎結構，具體取決于所選的隔離技術。例如，以太網或CAN具有可以與微控制器集成在專用或標準通信芯片中的協議。

　　當然，仍有可能將CVM功能與通信功能集成在單個器件中，特別是對于單元級BMS。但是，由于不同的OEM要求以及未來幾年(對于CVM和通信功能)的潛在變化，因此謹慎地首先隔離問題并通過開發(fā)兩芯片方法解決問題，同時對接口進行標準化，似乎是明智的選擇，單元和模塊級PCB通常足夠大以容納兩芯片方案。集成生命周期有限的專有方案并沒有立即的需求或欲望(尤其是在成本方面)。但是，一旦為BMS內部通信(有線和無線通信)制定了行業(yè)范圍內可重復使用的標準，并且出現了兼容的供應商群，那么開發(fā)風險將足以緩解，以鼓勵制造商整合CVM和通信功能到單個器件中。

　　5 總結

　　不斷變 化的BMS要求正在推動CVM IC供應商進行大量的開發(fā)工作。同時，缺乏標準接口使OEM和電池系統制造商很難更換CVM IC供應商。不同的OEM廠商總是會有不同的需求，因此基于模塊和基于單元的BMS方案將并存，有線或無線以及有無微控制器。如果將第二次使用的要求考慮在內，并選擇一些標準的BMS內部接口，則投資效率將會提高。為了增加潛在方案的靈活性并實現新興標準，提出了分兩步走的方法，第一步是在獨立的CVM和通信功能之間創(chuàng)建一個行業(yè)范圍內的類似于SPI的標準接口。

　　參考文獻：

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　　[4] Circular Economy is Crucial to Paris Goals – Study[J].UN Climate Change News,(2018-6-6).

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E, GANDIAGA I, SARASKETAZABALAE, et al. Battery second life: Hype, hope or reality?A critical review of the state of the art[M]. Renewable andSustainable Energy Reviews 93,2018: 701–718.

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　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a品世界》2020年第07期第15頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）