Bart De Cock （安森美半导体 产品司理）
Serge Peeters （VITO/EnergyVille 事务拓宽）
Jeroen Büscher （VITO/EnergyVille 产品司理）
摘 要：不断改动的BMS要求正在推进CVM IC供货商进行很多的开发作业。一同，缺少规范接口使OEM和电池体系制作商很难替换CVM IC供货商。不同的OEM厂商总是会有不同的需求，因而根据模块和根据单元的BMS计划将并存，有线或无线以及有无微操控器。假如将第2次运用的要求考虑在内，并挑选一些规范的BMS内部接口，则出资功率将会进步。为了添加潜在计划的灵敏性并完成新式规范，提出了分两步走的办法，第一步是在独立的CVM和通讯功用之间创立一个职业范围内的相似于SPI的规范接口。
要害词：轿车；BMS；CVM；EV；PHEV
电动或插电式混合动力轿车(EV或PHEV)中的典型锂离子电池组将含约100个电池元件(电池或并联的电池)的串联串。锂离子电池需求经过电池办理体系(BMS)进行细心的电压和温度监控。在运用锂离子电池充放电进程中，热办理是个要害要求，因其温度需求坚持在作业范围内。锂离子电池需求“保暖”才干正常作业，但在运用时会发热，因而BMS有必要能够加热和冷却电池，或许至少因为这些原因需求监督其温度。现在，简直一切整车厂商(OEM)、tier-1电池体系供货商和芯片供货商都将有自己的BMS计划。估量未来几年道路上的EV/PHEV轿车的数量将稳定增长，BMS硬件供给链中的任何改动都将成为问题。数量添加以及技能和/或经济参数的改动或许会迫使BMS硅供货商改动。可是，因为硅供货商不供给兼容的硬件，因而，为BMS挑选另一种芯片意味着tier-1和OEM厂商将面对绵长的从头开发和从头认证周期，这需求很多出资，一同存在着与验证和认证有关的危险。
在“芯片内”的详细作业方面，使硅片供货商坚持一致将是个应战，因为每个供货商的开发团队都有自己的知识产权(IP)。但只需一切计划都向主机操控器供给相似的数据(如经过寄存器)，就不需求彻底一致。关于tier-1和OEM，可运用规范体系接口拜访不同供货商的IC，这些IC在首要功用方面体现相似。这将扩展到包括为满意功用安全(FuSa)要求而选用的拓扑办法，如ISO 26262规范中所述。
检查商场上现在可见的各种BMS拓扑的优缺点，很显着，计划之间的差异首要触及以下问题：这是否应该是模块化BMS(即1个IC监督多个电池元件串)(图1)，或电池级BMS(即1个IC监督单个电池元件)；应该运用有线仍是无线网络；而且触及微操控器或状况机。虽然每种可用的拓扑都应该存在，但假如有处理这一切问题的硅规范可用，将加快商场选用。
1 对规范化的探究
猜测装置在乘用车中的锂离子电池数的增长速度简直是不或许的，已知的趋势是上升。这首要是因为电池改进了轿车的全轮驱动能效。添加48 V体系最多可进步小型轿车25％的燃油耗费，而根据插电式混合动力轿车(PHEV)体系的大型轿车在近距离通勤期间可完成与全电动轿车(EV)适当的燃油能效。
虽然全电动动力总成体系具有许多优势，但关于许多车主来说，转向全电动轿车现在尚不可行或在财政上不可行。可是，在不久的将来，来自越来越多的可再生能源工厂的剩下电力将为出产电子燃料供给根底； 由氢气(经过运用“绿色”电能电解水发生)和捕获的二氧化碳结合而成。由此发生的电子燃料将与当时的燃料分配供给链兼容，并适用于现有的内燃机(ICE)技能。这或许会进一步推进混合动力的选用，因为电力和碳中性传动体系的组合或许会招引顾客和政府。
虽然现在有一些针对电池测验、安全性要求、尺度方面和充电的规范(http://www.batterystandards.info/[1])，但R. Ratz[2]是最早确认还需求规范化电池办理体系(BMS)电子结构的规范之一。Everlasting[3]项目的最新出版物研讨了适用于BMS的规范，并评论了该领域中的现有距离。提出了BMS中或许规范化的不同项目，可是一个要害要素依然存在：现有的电池办理IC不兼容。
2 现有的拓扑和架构
BMS一般包括一个或多个单元电压丈量(CVM)从站，这些从站经过BMS内部通讯网络与BMS主站联接。CVM从站能够按单元、按串联装置的堆叠电池、按并联电池或许恣意组合进行安排。假如CVM监督堆叠的串联电池，则适用术语“模块化BMS”，而术语“单元级BMS”是指CVM衔接到单个电池或多个并联电池的拓扑。
1) 模块化BMS
模块化BMS中CVM IC需求监督的最大电压由电池技能和串联的电池数界说。虽然总电压或许高得多，但将每个模块的最大电压约束为60V或更低是有利的，因为它需求的出产和保护程序不那么杂乱。运用多个电池来规划模块也是有利的，因为这减少了每个电池的本钱，一同最小化体系中的模块数。这意味着，视乎电池的类型、巨细、形状和最大电压，以及最实践的模块体积和分量，CVM IC能够监督6～24个串联电池。这凸显了模块化办法的缺点；在每个单元和模块的PCB之间选用有线衔接是一项繁琐的使命。难以自动化这个作业。另一个缺点是需求特定的机械和热规划以及认证作业，这会导致本钱添加，尤其是在产值相对较小的情况下。
可是，长处之一是车厂或tier-1可规划针对不同电池组的一种模块类型，以用于多种车型，这将有助于完成具有本钱效益的批量出产。这些模块是低压子体系，一旦拼装和测验，拆开电池组后就能够回收大部分的开发和制作本钱。(假定这些模块已开发为可在二次运用的运用程序中运用而无须更改硬件，请拜见下文)。
每个模块的电池数相对较高的可变性不必定会给CVM IC的内部架构带来巨大应战。专用于与电池单元衔接的实践硅面积或许相对较小。据估量，IC制作商能够从头封装两个不同的硅裸片来寻址6～24个串联电池。高性价比的平衡元器材与CVM IC一同装置在规范PCB上，而且该模块乃至不需求包括微操控器。此外，每个模块仅需求通讯接口，高精度电压基准和大的低欧姆晶体管则能够封闭单个模块，因而一般每个单元的电子器材本钱能够坚持较低。含嵌入式微操控器和先进功用(如数据预处理，EIS(电化学阻抗谱)或无线衔接）的智能模块将导致每个电池的本钱仅适度添加。
2) 单元级BMS
单元级BMS的优势在于CVM IC直接与电池通讯，然后更易于准确的温度监测和EIS，乃至能够进行压力丈量。兼容5 V的硅工艺足以构建CVM，然后完成更高的集成度和更高的处理才能(如添加了数字信号处理或微操控器)，十分挨近电池化学反应。需求专用的供给链，因为电池制作商应向机电一体化/电子子体系制作开展，将紧凑的电子电路嵌入电池内或衔接到电池。值得注意的是，原始设备制作商(OEM)在锂离子电池制作设备上的出资越来越多，有或许在将来保存一切选项以嵌入电子定制。
单元级BMS的另一个优势是彻底没有CVM模块以及与之相关的一切本钱。一个潜在的缺点是电子器材的本钱上升，不只因为获取、处理和通讯数据，而且因为电池平衡的耗散用于办理电池温度。假如该运用需求如钛酸锂(LTO)之类的电池类型，则每个电池组的电子器材本钱会进一步添加，开发相同体系电压，串联所需求的电池数约为一般锂离子电池的两倍。最终，每个电池的无线通讯节点需求细心规划，以防止节点之间的搅扰，而每个电池的有线阻隔通讯接口阐明有很多阻隔元器材。
不过，这拓扑能够为OEM供给满足的功用和体系优势，以抵消每个单元的电子器材相对较高的本钱。
3 电池的第2次运用
正如UN[4]发布的一篇文章中说到的那样，循环经济关于完成《巴黎气候协议》的方针至关重要。可是，当考虑将轿车电池从头用于固定式运用[5]时，如今存在许多不确认要素，仍有许多作业要做。一个重要方面是，从电池体系开发开端就有必要考虑电池子体系的重用要求。例如，重用模块(或单元级BMS中的单元)比重用整个轿车包更可行。出于安全考虑，住所储能计划一般约束在60 V或以下，这在很大程度上与轿车模块兼容。另一个方面是，从头用于第2次运用的轿车电池应具有必定的预期寿数保证。这可经过带有健康状况(SoH)估量的本地EIS以及集成在电池子体系中的EEPROM存储器来存储前史电池运用数据来保证。现在尚不清楚是否需求在单元或模块中运用微操控器，只需第一次运用和第二运用的BMS能够拜访此功用和内存即可。因而，不管挑选了模块化BMS仍是单元级BMS，二次运用BMS都应该能够运用开始运用的数据和通讯接口。假如单元或模块包括带有OEM专用软件的微操控器，则也应该能够彻底删去、禁用或替换该软件。然后，将具有新附加值的软件和专用IP加载到灵敏的硬件平台上，以创立第2次(从头)制作的运用程序。显着，在处理电池办理芯片组的任何或许规范化问题时，第2次运用考虑要素将影响要求[6]。
4 采纳进程迈向规范化
检查商场上现有的不同CVM IC及其BMS内部通讯接口，能够看出，大多数通讯接口现在都是专有的，并遭到专利保护（图2）。
虽然能够对单个CVM计划进行本钱优化，但从其他制作商处挑选CVM芯片也意味着更改通讯接口，然后导致开发周期长，验证和认证进程中存在很多出资和危险。一同，因为需求不断改动，用于模块化BMS架构的单个CVM IC计划也在不断进行检查。经过不断开展的进程，职业成员正在测验保护尽或许多的体系结构，仅添加所需的那些功用。可是，新功用正变得十分多样化，需求进行严重的硅片更改，如添加无线接口，用于操控切换FET的转接驱动器，EIS功用的引进或附加微操控器以供给额定的预处理或更大的模块灵敏性。这种改动水平带来了从头考虑CVM IC办法和寻求CVM IC之间更多规范化的时机，然后防止了曩昔的缺点。
早年面有关挑选模块化或单元级BMS的评论中能够显着看出，模块化BMS中运用的IC与单元级BMS中运用的IC彻底不同。可是，经过将单元监督功用与通讯功用别离开来采纳两步走的办法，在CVM接口方面好像有一些规范化的空间(图3)。
举例来说，职业成员能够在CVM IC和通讯IC之间界说一个准规范的串行外设接口(SPI)，并具有商定的最小指令子集和各种数据的界说方位，例如：电压和温度读数；平衡指令；欠压和过压阈值；FuSa办法和循环冗余校验(CRC)的巨细。该通用协议将使电池电压监督功用与通讯接口别离，并答应OEM和供货商为运用挑选最合适的两芯片规划办法。
大多数无线和电力线通讯(PLC)计划是根据具有闪存的嵌入式微操控器的天然软件界说的运用。虽然这与完成更高集成度的要求十分符合，但这些IC技能一般专心于面向物联网(IoT)的消费类产品，因而不符合用于模块化BMS中CVM IC的混合信号轿车工艺（<60 V）。因而，最好的架构是两芯片法。在两个独自的集成器材中保管CVM和通讯功用。迈向更高集成度的第二步或许是将这些器材封装在同一封装中。有线通讯接口或许依然需求其他收发器根底结构，详细取决于所选的阻隔技能。例如，以太网或CAN具有能够与微操控器集成在专用或规范通讯芯片中的协议。
当然，仍有或许将CVM功用与通讯功用集成在单个器材中，特别是关于单元级BMS。可是，因为不同的OEM要求以及未来几年(关于CVM和通讯功用)的潜在改动，因而慎重地首要阻隔问题并经过开发两芯片办法处理问题，一同对接口进行规范化，好像是正确的挑选，单元和模块级PCB一般满足大以包容两芯片计划。集成生命周期有限的专有计划并没有当即的需求或愿望(尤其是在本钱方面)。可是，一旦为BMS内部通讯(有线和无线通讯)拟定了职业范围内可重复运用的规范，而且呈现了兼容的供货商群，那么开发危险将足以缓解，以鼓舞制作商整合CVM和通讯功用到单个器材中。
5 总结
不断变 化的BMS要求正在推进CVM IC供货商进行很多的开发作业。一同，缺少规范接口使OEM和电池体系制作商很难替换CVM IC供货商。不同的OEM厂商总是会有不同的需求，因而根据模块和根据单元的BMS计划将并存，有线或无线以及有无微操控器。假如将第2次运用的要求考虑在内，并挑选一些规范的BMS内部接口，则出资功率将会进步。为了添加潜在计划的灵敏性并完成新式规范，提出了分两步走的办法，第一步是在独立的CVM和通讯功用之间创立一个职业范围内的相似于SPI的规范接口。
参考文献：
[1] website by Energy Ville[R/OL].[2019-11].www.batterystandards.info.
[2] RATZ R.BMS System Benchmark and Standardization[M].Ricardo Inc.,2015.
[3] J A Y ARAMAN B , VEMIREDDYP.D6.7Batery Management System standard.EVERLASTING, 2019.
[4] Circular Economy is Crucial to Paris Goals – Study[J].UN Climate Change News,(2018-6-6).
[5] MARTINEZ-LASERNA
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.
[6] ECODESIGN preparatory Study for Batteries[R/OL].[2020-03].https://ecodesignbatteries.eu/documents.
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第15页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
