開發電池管理解決方案時需要注意的五個事項

電源與新能源   作者:意法半導體博客 時間:2022-04-13來源:電子產品世界


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電池管理系統 (BMS) 正悄然改變著電動交通工具。今年年初,意法半導體發布了L9963E電池監測保護芯片,旨在解決全球包括中國新能源汽車共同面臨的電池管理系統設計難題。新產品采用一個獨特的架構,能夠測量4到14個串聯電池單體,樣本信號之間解除同步沒有任何延遲,測試結果證明,雖然可以菊鏈式連接 31個L9963E,但是整鏈延遲仍然不到 4 μs。

然而,L9963E 遠不只是一個簡單的電壓測量器或典型的庫侖計算器,因此,我們還發布了一份白皮書深入探討 BMS 設計的復雜性。此外,為了進一步幫助工程師和決策者設計BMS,我們還想探討一下在開發電池管理系統時必須考慮的五個事項。

為什么要用電池管理系統?

BMS 測量電池單體的電流和電壓,并將信息發送給荷電狀態 SOC應用系統,確定電池的運行狀態。在使用一段時間后,電池實際最大容量會降低。BMS的測量數據可以計算電池的實際最大容量,幫助系統確定電池的健康狀態 (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化功能。通過確定每個電池單體的 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,從而延長電池的使用壽命并得到更高性能。現在,L9963E 還在確保電池安全運行方面發揮著關鍵作用。

1.注意測量的準確度和速度

理解準確度

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電動汽車中的動力電池包

一直以來,工程師首先關注的是 BMS 的測量準確度。如果系統測量數據不準確,缺乏有價值的信息,用戶將會有巨大的挫敗感。因此,在BMS 測量每個電池單體的狀態時,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單體時,第一個單體的報告測量值已經不再準確,應用系統無法提供真實反映電池荷電狀態的結果。

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,同時還能測量電流,了解每個電池單體的實際容量。此外,該產品的架構確保每個電池單體都有專門的資源用于處理芯片監測到的電數據,而市面同類產品通常在電池單體之間共享數據處理資源。通過為每個單體提供專用處理資源,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。在菊鏈式網絡結構內,L9963E 還可以通過串行總線通信,帶寬達到2.66 Mbps,而業內帶寬大多數都徘徊在 1 Mbps 左右。因此,讀取和處理 434 個電池單體需要 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壓和欠壓,或者是否出現過熱或過流。如,在發生碰撞事故時,電動汽車必須能夠判斷電池參數不在正常安全值內,并立即啟動電池關閉程序,否則會造成災難性損失。

獨特冗余

這些功能要求芯片具有很高的魯棒性,即使在惡劣環境下仍能正常工作。防止讀數錯誤也很重要,在汽車高速巡航時,讀數錯誤會導致電池包關閉,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誤。如果當前ADC發生異常,L9963E可以強制相鄰的 ADC 接管異常ADC 并排除故障。

3.注重性價比

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EVAL-L9963E-MCU

隨著電動汽車變得越便宜,成本制約因素變得越重要。功能強大但價格太高的芯片會失去大部分吸引力。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芯片要求每個電池單體必須并聯一個外部齊納二極管。在組裝過程中,系統無法知道哪個電池單體第一個接觸連接器,而且,這始終是一個隨機事件,因此,每個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強大的 MCU,不僅可以開發原型,還能擴大視野

了解生態系統

成功的電池管理系統始于簡易的概念驗證。ST 為 L9963E 提供兩塊評估板。第一塊評估板 EVAL-L9963E-MCU包括一個微控制器,并帶有圖形用戶界面軟件 STSW-L9963E,可幫助開發人員更快地創建應用。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L9963E評估板。

L9963E 與 SPC58 Chorus配合使用

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EVAL-L9963E-NDS

有許多客戶都喜歡將 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,這款微控制器具有6 MB 或更高的存儲空間,可以滿足該應用的全部存儲需求,多核架構使開發人員能夠專門指定一個核心處理電池管理任務,把其他核心分配給其他常見應用。這款MCU還有很多外設接口,包括6條FlexCAN總線,讓整個設計更加靈活。

5.電池管理系統:關注未來,著眼現在

所有工程師在設計產品時都力圖著眼于未來,但是,對于電池管理系統,設計不僅要考慮到明天的汽車,還要考慮到目前正在使用 BMS 的所有新產品,如,電動自行車和踏板車,或便攜式醫療設備等。L9963E 的應用靈活性較高,除傳統電動汽車外,還適用于其他的很多設計。最少能夠測量四個電池單體,10 毫米 x 10 毫米 TQFP64EP 小封裝,以及成本效益,這些優點讓一家企業可以使用相同的 ST 器件輕松開發各種類型的車輛或應用,從而節省開發成本。

關鍵詞: 意法半導體 ST 電池管理

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