新能源电池管理解决方案

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我是来自TI德州仪器的陈放，目前负责中国区BMS市场拓展的。
   
首先我想给在座的观众提几个问题。在场有多少的工程师和锂电池的应用相关？有多少位工程师跟BMS的设计相关？还有多少工程师跟电动汽车、电动自行车、储能的项目设计相关？今天对这一块产品了解的工程师不是特别的多，我尽量把产品讲得稍微简单一点。
   
第一幅图是介绍BMS的架构。BMS是在BU里面，BU下面一共是有五条产品线，这五条产品线都是和锂电池相关，但是有一些不同的分别。我们是单串锂电池的产品，这个产品是在目前的SMART PHONE、平板电脑上面应用得比较多。另外一个是我们多串的锂电池管理的芯片，这个充电管理芯片是可以到2串到16串。我们也有一个多串锂电池的容量 计算，另外一个产品线就是目前新能源汽车、混合动力汽车以及储能项目应用的大功率的锂电池电池包的整体电池管理系统。这个是我们BMS整个产品线的架构。
中国电子展 (www.aidzz.com)、电子元件技术网(www.cntronics.com)和我爱方案网(www.52solution.com)以及深圳会展中心( www.0755hz.cn )联合报道本研讨会！
我们叫High  Power Focus，有电动工具、电动自行车、UPS，随着新能源的发展，还有国家一些节能减排的要求，目前现在整个市场缺失的是铅酸电池全部向锂电池转换。这是 我们High  Power的产品线，黑色是我们已经量产的产品，蓝色的部分是我们今年下半年四季度全部推出。在BMS的概念里面，下面我介绍的是在功率级上的电池管理， 这种电池管理主要是电池的保护，我想大家都比较清楚，因为经常会听到说锂电池会爆炸、起火，为什么？因为锂电池首先不能够过充、过放、过温，它也不能欠压，说白了，它工作的环境是非常严格的，我们必须时时刻刻对它的电压、电流以及它的温度进行随时的监控。对于低于16串以下的工业电池组来应用的话，必须 及时的对它进行保护，比如我在充电的时候，对锂电池来说你必须节断它的充电，否则就引起爆炸和燃烧，这都有一些安全隐患的问题，对于锂电池的电压电流、温 度的监控是随时需要的。在这类产品里面，我们目前有三大类，第一是Stand alone，它的定义是说我这一颗芯片既然同时会把电流电压还有温度去采集 到，而且会监控它，而且一颗芯片把整个保护的工作做完，其实用业界来说就是单芯片的解决方案，就是一颗芯片把整个电池包的保护板全部做完。第二个是 Host Monitoring，有些客户说需要做容量的计算，比如有很多电动自行车、UPS上面，必须不停的把电池所有的数据弄出来，我们就需要一些叫做Host Monitoring，这一类的产品就是模拟前端，它实现的功能就是把电池的电压、电流，还有温度的参数不停的把它采集出来。第三类叫做Gauging， 这一种是对于电池容量的计算，我们知道电池是一个电化学的产品，电池的容量其实也在不断的变化，国内、国外的电池从圆柱形到方形，电池的材料也在不断的变 化，电池容量计算是大家讨论的难题，在我们的产品里，目前在TI里面，我们要配的这种电池的模型都有100多种，因为不同厂家的电池，因为它充放电的曲线 的不一样的，所以它的容量计算的方法都必须要去调整的。
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这一幅图是我们目前主要跟电动自行车、电动工具、后面16串UPS，就是不间断电源和后备间断电源做的方案。像48伏的铅酸电池用得比较广泛，对于锂电池 的BMS方案来说，首先我们确定这个电源的电压是多少，电压定好，采用不同材料电池来讲的话，它会有不同串数的选择。另外还有一些客户对于低成本的要求， 我们也会推出相应的产品，比如904和905，一颗芯片只是做到4串的，一颗芯片做到5串电池包的支持，客户如果有用到10多串，甚至20串的话，我们会采 用这种直连的方案。大家可以看到这个产品，我们完全可以实现电流过压、欠压、过温以及各类短路电流的保护，而且这个部分还有集成了MOS管的驱动，电池还 有不均衡问题，均衡功能要实现的话，还需要外挂一些东西，我们就把这个外置MOS管做驱动。另外一种架构就是模拟前端，AFE和MCU做搭配，就是把参数 采进来以后，通过SPI的通讯和MCU进行通讯，通过MCU来做我们低功耗的产品。
   
接下来跟大家介绍一下我们汽车BMS上面的产品情况。这幅图是介绍在整个汽车领域我们TI的一个产品分布，我们可以看到，我们的汽车级的产品，我们有电源 驱动，我们很多产品都有汽车级的认证。同时BMS也是，目前的BMS团队是整合了前TI以及原来国家半导体的两个BMS设计团队，一个是在美国的达拉斯， 一个是在美国的硅谷。我们目前在汽车BMS领域这个BMS产品，我们是采用的并不仅仅是一颗芯片，我们是推整套的方案，整套的方案的话，我们是整个方案全 部的设计文档，完全是开放给客户的，那目前的话，我们可以提供整个业界最高精度的电压采集的方案，以及可靠性，我想大家都会比较关心的一个问题就是电动 车的安全问题，这个安全问题其实在五年之前，欧美的车厂就提出一个标准，就是ISO26262，也就是汽车安全完整性等级，这个等级目前已经详细到BMS 系统里面的IC，这个核心的IC必须要过这个标准，我们后面很多新的产品都会去符合这些标准。



刚才我跟大家介绍的只是一个比较的工业级的锂电池包的BMS的设计，我们知道电压、电流、温度要去做监控，要去保护它，可是在车用上面，这个问题又非常的 严峻，而且对于它的功能性、安全性、稳定性都会有很多的要求，就比工业级的要求更复杂了。我们来看看这幅图是列出来目前车用的储能系统，首先安全性是不用 质疑的。前不久深圳比亚迪的车起火，去年杭州的电车起火，大家一直在提，纯电动用锂电池安全如何？这个摆在锂电池厂、车厂还有我们BMS这些公司的最大挑 战。另外一个就是高功能率，我们知道锂电池要替代石油，这个高功率、续航里程多少，这是很关键的参数。快速充电是对终端客户使用时候的体验，化学稳 定性对于电芯厂是一个很大的考验。刚才说的是整个动力电池组的要求，那对于我们BMS系统的要求我们会有一些的关键，电动车我们现在看到混合动力车的电池 是在48串，纯电动汽车的电池包大概是在96串，纯电动大巴车的180串，在这个高压系统里面，这么多的电池是串联进行使用的，如果中间有一颗电池或者一 两颗电池由于它的不一致性，就会导致整个电池包受到非常大的影响，我想最简单的例子大家可以想想，就是一个木桶的原理，一个木桶是10块板子，其中一块板 子短了，整个装水的容量就会受到极大的影响，如果木桶的木板在一个水平上，我们就叫做均衡。另外一个问题，就是我们要控制电池的寿命和它的放电深度，电池 的放电深度和它的寿命是有极大的关联。我们寿命指的是循环的次数，目前单体铁锂电池的速度达到2000次，电动车上12串寿命达到600次。锂电池对工作 温度是有一定要求的，有数据表明，当锂电池的工作环境温度上升10度，那么它的寿命基本上是损失1/3，我们BMS是在整个运行的环境中的话要对整个电池 的环境温度以及它的工作温度都要随时进行监控。但是还有另外一个很极端，那就是低温，低温以下的话这个电池是放不出电来的，到很多东北的地方这些电池就用 不了了，还要给它加热，中间做一些加热的管理。
若图片无法打开  原文地址是：http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/231/sid/58
刚才谈到的是对于电芯方面BMS需要设计考虑到的东西，接下来我们讨论在整个系统，因为它作为一个系统，是在一辆车上面，首先是高压的系统，另外就是电芯 和芯片，芯片和芯片之间的级联。对于IC工艺来说也是很大的挑战，对于TI来说，我们最高的是耐压支撑，IC的耐压支撑是120伏和130伏，但是你在一 个高压的系统里面你到300多伏、500多伏，而且你的瞬间电压会更大，对于我们BMS系统的设计是一个很大的考量。第三点是我们所谓的纵向通讯也叫垂直 通讯，它的概念是说我们的BMS产品，我们最多也是做到16串，比如说48串的电池包要4颗芯片做级连，如果96颗我需要8颗，这些IC之间做级联之后， 这个通讯里面会不会丢数据，会不会受到整个电机的干扰，这都是目前发现很多的问题。
   
这幅图是目前我们TI在汽车BMS上面的Roadmap，绿色是目前在全球已经出货，已经有很多电池厂，还有电动车厂，都有在应用，蓝色部分和红色部分是 我们今年下半年会要推出来的产品，黄色部分还是一个想法。接下来我介绍一下绿色产品的状况。首先介绍的是bq76，这颗片是六个通道的均衡，首先它是可以 做到正负一毫伏的精度，对于电压的采集精度，它是带有14位的ADC，然后它是带1兆的SPI通讯，我想这个图大家看着就比较清晰一点，我觉得它是96串 的电池包，它用的就是所有536级连起来。IC536和536之间的通讯是用的SPI。我们的BMS采样可能会有新的产品，可能是6串的，可能是12串 的。



另外还有一颗是二级保护，所谓的二及保护这个概念是来自于NOTEBOOK的，这个标准也是日本人定的，他们认为必须要有一个独立的保护，一旦前端采集失 效的话，二级保护可以控制住过压，一旦有过压发生的话，他们会通过一条独立的回路报告给这个MCU。刚才提到是一颗芯片叫536A，它是做6串的。接下来 这个1454是可以做到16串在芯片组里面一共是7颗芯片，但是最核心的我们有3颗，这是一颗汽车级的产品，另外是14 bit的ADC。只是一颗IC的话，工 程师做起来就很难。关键点是我们的1432了，它是一颗14通道的采样前端，它是通过两种方式来控制，工程师可以自己选择，它只有一个输出口，这个输出口 是一个模拟信号，但是它比较特别的地方，就是每个pin脚的电压范围是-2伏—5.5伏，要考虑到锂电池在大电流放电的瞬间，可能这个电池会产生极性的偏 转，有可能它会产生负电压。这个就是我们1432整个系统的架构，我们1432在这里，14串的电芯在这里，通过MCU给它出来一个模拟的信号，这个模拟 信号给到ADC以后，ADC再反馈给MCU，这些二次开发就在MCU由我们客户和工程师完成，其他我们会提供一些参考的电源设计，这些电源设计里面，我们 整个系统架构的供电是来自电池包的。我刚才有提到车上用的48串或者96串或者100多串，大家如果有兴趣去拆一下这些的话，会看到它实际上不是所有电池 都在一起的，它是根据不同的车型分布在汽车不同的部位。比如说96串它可能是12串的电池包，分布在这个电池的左右。比如电动大巴的话，它基本上也是12 串一个大包，分布在汽车的两侧最底层那个地方，分布得很多，所以我们每个电池包做到14串、16串、12串