在電動汽車當中，電池是電動汽車的動力來源，其容量及能量密度影響著汽車的續航，其品質影響著汽車的安全性能。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態達到最優？如何避免應用中的電池過度充、放電，改善電池組中各單體電池的不對稱性，提高電池組的效率，延長其使用壽命都是電動汽車的關鍵技術問題。

電池管理系統



電池管理系統(Battery Management System，BMS)作為連接電動汽車電池組、整車系統和電機的重要橋梁，通過與動力電池緊密結合的傳感器，監控車用蓄電池的電壓、電流、負載、溫度等狀態，并能為其提供安全、通信、電芯均衡和管理控制，提供同應用設備通信接口的系統，如圖1所示。BMS具備監控蓄電池系統總電壓、電流數據，獲取單體電池、電芯組、電池模塊電壓，掌握電池包內溫及其形態等數據。它主要由3個部分構成，包括硬件架構、底層軟件以及應用軟件。BMS處理的信號足夠豐富，包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。



1.1、硬件架構

BMS硬件包含CPU、電源和采樣IC、隔離變壓器、CAN模塊、EEPROM和RCT等，其核心是CPU。BMS硬件結構如圖2所示，集中式、分布式是BMS硬件的拓撲結構。集中式把電子部件歸納在板塊內，采樣芯片由菊花鏈接主芯片通信，鏈路簡單，成本低廉，缺點是穩定性不足。分布式由主板、從板組成，系統配置靈活，通道利用率高，適用于各類電池組，缺點是電池模組數量不足時造成通道浪費。

BMS的主控制器具備處理上報來的信息、綜合判斷電池運行情況、實現控制策略并處理故障信息功能。高壓控制器具備收集上報總電壓、電流，并為主板提供載荷情況（SOC）、健康狀況（SOH）所需數據，實現預充電、絕緣兩項檢測功能。從控制器具備單體電池信息采集上報，擁有動平衡功能，可以保持電芯的動力輸出一致性。采樣控制線束具備同時在每一根電壓采樣線上添加冗余保險功能，可避免電池外部短路故障（圖2）。



1.2、底層軟件

根據汽車開放系統結構（AUTOmotiveOpenSystemAr－chitecture，簡稱AUTOSAR），架構為了減少對硬件設備的依賴性，將BMS劃分為諸多通用功能區塊。能夠對不同的硬件實現配置，并對應用層軟件影響較小。其需要通過RET接口與應用層軟件鏈接，介于故障診斷事件管理（DEM）、故障診斷通信管理（DCM）、功能信息管理（FIM）以及CAN通信預留接口等靈活性要求，應當從應用層進行配置。
1.3、應用層軟件

應用層涵蓋了高低壓管理、充電管理、狀態估算、均衡控制以及故障管理等，如圖3所示。


1）高低壓管理主要是需要上電時，VCU通過硬線（CAN信號）的12V激發BMS，待后者完成自檢后閉合繼電器上高壓；需要下電時，VCU下達指令斷開12V信號，或者在充電時由CP（A+）信號激發。
2）充電管理中慢充流程較為簡單，而快充需要在45min內完成沖入電量80%，要通過充電輔助電源A+信號激發，目前國標中對快充尚未完成統一，即存在2011和2015兩個快充版本。
3）SOC是狀態估算功能的核心控制算法，表示電池剩余容量，通過特定的安時積分法計算得出；SOH是判別電池的壽命狀態及電池充滿狀態下的容量，一般低于80%的電池不得繼續使用；SOP需要根據溫度及SOC換算得出，能夠在電池臨界之前及時發出信號讓電力系統限定部分功能；SOE算法是用來估算剩余續航里程的，當前開發得較為簡單，因此電動車續航里程常常不準確，俗稱“空電”現象。

4）均衡控制的作用是均衡單體電池放電不一致，由于電路當中必將由于性能最差的單體電池的截止而截止，造成其余性能完備電池蓄存量的浪費。均衡控制分為主動和被動，其中主動控制將單體間能量進行轉移，其結構復雜且成本較高，而被動控制除會浪費部分能量外，優勢更為明顯，目前備受廠家青睞。
5）故障診斷主要是根據數據采集、一般性故障、電氣設備故障、通信故障和電池故障等情況，劃分不同故障等級，并采取對應措施。
電池管理系統中傳感器應用
BMS中主要應用的傳感器有電流傳感器、溫濕度傳感器、電壓傳感器和位置傳感器。
2.1、電流傳感器
2.1.1、霍爾電流傳感器
霍爾效應（HallEffect）傳感器變化的磁場轉為變化的電壓，其屬于間接測量。可分為開環式、閉環式兩類，后者精度較高。霍爾電流傳感器簡化了電路，僅要連通直流電源正負極，將被測電流母線穿過傳感器便完成主電路和控制電路的隔離檢測，如圖4所示。傳感器輸出信號為副邊電流，和原邊電流（輸入信號）成正比，數值較小，需進行A/D轉換。霍爾電流傳感器集互感器、分流器優點于一身且結構更為簡單，但易受干擾，已不適用于越來越精密復雜的電動車電源環境。


2.1.2、磁通門電流傳感器
磁通門原理（FluxGate）即為易飽和磁芯在激勵電流影響下，激勵電流大小改變電感強度，進而改變磁通量大小，磁通量則如同門那樣打開或者閉合。
普通霍爾電流傳感器精度在0.5%~2%之間，而磁通門電流傳感器利用磁通門原理制作而成，精度能夠達到0.1%甚至更高，因此也稱之為高精度電流傳感器。結構上有也有開口型和不開口型兩類，即有開環和閉環兩類。此處著重介紹閉環磁通門電流傳感器，即放大磁通門激勵電流二次諧波信號，驅動補償線圈，使聚磁磁芯的磁通和原邊電流的磁通相抵消，保持“零磁通”狀態；對于HPIT系列磁通并不為零，是一種無二次諧波的對稱形狀，如圖5所示。



磁通門電流傳感器從結構上分為4類，見表1，分別是單磁環、雙磁環、雙磁環（屏蔽）、多磁環（嵌套）。由于集具磁通門原理高靈敏性、閉環磁平衡與匝比輸出嚴格對應性、整體磁芯封閉性、探頭補償消除振蕩諧波影響輸出干凈性等優點，因此閉環磁通門電流傳感器被廣泛應用于各型電動車產品當中，如特斯拉Model3、比亞迪漢、理想ONE、小鵬P7等暢銷車型。


2.1.3、穿隧磁阻效應電流傳感器

穿隧磁阻效應（TMR）電流傳感器是全新一代磁敏元件，較霍爾器件、各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）相比（圖6），其擁有能耗低、溫漂低、靈敏度高等優點，能夠明顯改善電流檢測的靈敏度與溫度特性，故而在新一代電動汽車電池管理系統中，被用于全面取代霍爾傳感器。TMR電流傳感器在檢測電流時不再需要進行溫度補償，將-40℃~85℃環境下的溫度漂移總量由1%~2%降低到0.1%~0.2%。
例如對于車載充電器的電流檢測與控制上，其能夠對銅排或導線電流的精準檢測而使用芯片體積更小，精度、線性度、響應速度和溫漂特性則更為優化，為電動車帶來極佳的安全性與經濟性。


2.2、溫濕度傳感器
2.2.1、NTC溫度傳感器
溫度對于BMS性能發揮意義重大，為了進一步提升電池利用率，防止電池過度放（充）電，掌控電池工況，增加電池使用壽命，內置NTC溫度傳感器來監測溫度。NTC溫度傳感器主要由Mn等高純度金屬元素的氧化化合物經過陶瓷技術和半導體技術結合制成，工作原理為這些材料載流子數目少，電阻較高，當溫度升高時，載流子數目相應增加，電阻對應降低（圖7）。
其擁有電阻率高、熱容小、響應快，阻值與溫度線性關系優良，能彎曲、價格低、壽命長等優點。常用的有3類：地環外殼NTC溫度傳感器，俗稱“地環型”；環氧樹脂封裝NTC溫度傳感器，俗稱“水滴頭”、“小黑頭”；薄膜NTC溫度傳感器。


2.2.2、HTW濕度傳感器
濕度傳感器就是一種把環境濕度量轉變成能夠被電信號標記的設備或者裝置，常見的濕度傳感器測量的量為相對濕度。現在電動汽車BMS常用的濕度傳感器有電阻式濕敏元件和電容式濕敏元件。其原理是在基片上涂敷一層用感濕材料膜，環境中水蒸氣吸附在膜上時，元件電阻率、電阻值會變化，就能測出濕度。
HTW-211是引進國外的高精度濕度測量傳感器模塊，是基于HumiChip的精確且可靠的濕度測量傳感器。濕度因素在電動車電池管理系統中尤為難以捕捉，但對于電池的性能、壽命影響巨大。對傳感器的濕度輸出予以溫度補償，得到線性電壓，輸入到帶有ADC的電動汽車的BMS當中。
2.3、電壓傳感器
電動汽車供電系統的電池組由幾百個串聯電芯聯通，故而測量電壓的通道需求較大。串聯電池組為累計電壓，但單個電池電動勢并不相同，不能簡單采用單向補償法消去誤差。電池電壓采集需要高精度，達到1mV，而目前采集精度僅有5mV。
電壓傳感器能夠讓被測電池電壓轉換成可輸出信號的傳感器，電動汽車用的電致發光效應電壓傳感器是測量發光材料在被測電壓發光強度情況來獲得被測電壓有效數值。同傳統的光學電壓傳感器相比，基于電致發光效應的電壓傳感器將不再用載波光源，一方面消除載波光源測量的不穩定性，另一方面也對傳感器結構進行簡化、降低生產成本。
2.4、位置傳感器
BMS中的位置傳感器是一項《電池溫控管理系統及電動汽車》實用新型專利當中提到的，目前在電動汽車中尚未廣泛應用。
位置傳感器主要是用于檢測BMS系統中水冷裝置中冷卻液面的位置情況。位置傳感器被安裝在冷卻水浮漂上，用于對冷卻液相對于膨脹水壺液面位置進行檢測，得到膨脹水壺的出液口同所述液體的接觸情況。通常至少需要3個浮漂，并在每個浮漂上安裝位置傳感器，以便于車輛在經過陡坡等路段或冷卻系統中存有大量氣泡時，BMS及時調節控制主水泵與副水泵進行切換運行。
隨著國內外電動車產業的不斷升級，越來越多的傳感器技術將會應用到電動汽車、BMS當中，企業應當把握良機為市場生產出更優質、更廉價的電動汽車產品和BMS。當然在新的傳感器技術支持下，BMS也會由現在的“硬件+算法”體系升級到“數據+主動式管理”體系。全球汽車傳感器原廠有博世、埃戈羅、英飛凌、霍尼韋爾、恩智浦、邁來芯、TDK、瑞薩、艾邁斯歐司朗、意法半導體、亞德諾、安森美、村田、意瑞、納芯微、杰盛微、中科阿爾法、賽卓、芯森、芯進、旭化成微電子、微傳科技、CROCUS TECHNOLOGY、新納傳感、多維科技、矽睿科技、萊姆、保隆、航智、聯合電子、盛思銳、科敏、睿感、興工微、三瑩、韋感、柯力、琪埔維、杰開、NTK、森薩塔、電裝、巨磁智能等。
電池管理系統中的核心芯片
常見的BMS核心芯片主要涉及計算單元（如MCU）、AFE（模擬前端芯片）、數字隔離器、ADC（模數轉換器）、CAN總線收發器、網絡變壓器、電流傳感器、保險絲/電纜及其他部件等。

圖8、BMS芯片及元器件組成

3.1、計算單元（MCU、FPGA等）：實現控制、計算等功能

MCU作為計算平臺，需要滿足AEC-Q100、ISO26262等認證。以ADI 48V油電混合BMS系統為例，MCU起到繼電器控制、SOC/SOH估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數據收集、數據存儲等作用。相較于消費級和工業級MCU，車規級MCU行業壁壘更高。車規級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩定性和長效性要求較高，研發難度較大：汽車行駛的外部溫差較大，對芯片的寬溫控制性能有較高要求；在產品壽命方面，整車設計壽命通常在15年及以上，遠高于消費電子產品的壽命需求；在失效率方面，整車廠對車規級半導體的要求通常是零失效；在安全性方面，汽車電子的高功能安全標準給復雜性日益增長的電子系統量產化提供了足夠的安全保障。車規級半導體的供應周期需要覆蓋整車的全生命周期，供應需要可靠、一致且穩定，對企業供應鏈配備和管理方面提出了較高要求。

車規MCU原廠有德州儀器、意法半導體、恩智浦、英飛凌、瑞薩、中穎、兆易創新、芯海、國民技術、賽騰微、杰發、芯旺、小華半導體、云途、琪埔維、比亞迪半導體、芯馳、航順、先楫、旗芯微、上海航芯、輿芯、芯擎、中科海芯、中微半導體、輝芒微、極海、曦華等。

3.2、AFE芯片（模擬前端芯片）：實現電池信息采集、狀態監測等功能

AFE（模擬前端，Analog Front End）是包含傳感器接口、模擬信號調理 （Conditioning，包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉換等）電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數據緩存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些AFE還帶有MCU、DAC和多種驅動電路。

圖9、亞德諾典型12節BMIC-AFE芯片電路圖

AFE原廠有亞德諾、德州儀器、意法半導體、松下、恩智浦、瑞薩、微芯、MPS、比亞迪半導體、琪埔維、大唐恩智浦、矽力杰、芯海、圣邦、賽微微電、中穎、鵬申科技、杰華特、集澈、精工、凹凸、力芯微、希荻微、華泰半導體、芯祥科技等。

3.3、隔離電路：實現高低壓模塊間電氣隔離

隔離器件實現高低壓模塊間的電氣隔離，技術路線包括光耦隔離和數字隔離。隔離器件是可以將輸入信號進行轉換并輸出，以實現輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規器件。電氣隔離能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸的安全性，如果沒有進行電氣隔離，一旦發生故障，強電電路的電流將直接流到弱電電路，對電路及設備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統具有更高的安全性和可靠性。高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸的設備大都需要進行電氣隔離并通過安規認證。

車規隔離器原廠有亞德諾、德州儀器、芯科、英飛凌、意法半導體、思佳訊 、埃戈羅、安森美、NVE、Vicor、東芝、納芯微、智芯微、數明、格勵微科技、榮湃、川土微、思瑞浦、華大半導體、精控、矽朋、瞻芯等。

3.4、ADC（模數轉換器）：將模擬信號轉換為數字量

在汽車上，溫度傳感器和壓力傳感器通常都采用模擬信號形式，會使用ADC將傳感器信號轉換成ECU可識別的二進制格式的數字信號。即：首先，這些傳感器將溫度和壓力轉換為一定范圍內的電壓信號；然后通過線束和接插件將電壓信號傳給ECU，最后ECU的ADC模塊將電壓信號轉換為數字量。

車規ADC原廠有德州儀器、亞德諾、微芯、恩智浦、類比、圣邦、芯熾、思瑞浦、徴格、山海半導體、芯海、迅芯微、云芯、華泰半導體、芯動神州、貝嶺、靈矽微、航天民芯等。

3.5、CAN總線收發器：實現CAN總線網絡

CAN收發器是連接控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）控制系統與CAN總線網絡的橋梁，是CAN控制器進行總線數據訪問的物理接口，負責CAN控制器端數字信號和CAN總線上差分電平信號之間的轉換，一般CAN收發器中也集成了數字隔離芯片，來實現高低壓電氣隔離。

CAN收發器芯片原廠有恩智浦、德州儀器、英飛凌、瑞薩、意法半導體、安森美、君正、芯力特、納芯微、思瑞浦、川土微等。

3.6、電池均衡模塊：提升電池續航時間和循環壽命

電池不均衡會影響電池續航時間和電池循環壽命。電池不均衡表現為多節電池串聯時各節電池電壓不相等，尤其在充電末端和放電末端時表現明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯在一起時，串聯充電電流相同，但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓，從而表現為各節電池電壓不相等。即使滿充容量相同，但SOC不同的電池配組串聯在一起時，SOC高的那節電池的電壓偏高，從而表現為各節電池電壓不相等。即使滿充容量相同、SOC相同，但各節電池的內阻R不同，則在充放電時IR壓差不同，也會導致電池端電壓不同。此外，一些外部因素（比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡）也會導致個體電池老化速率不同從而內阻不均衡。最終都可能表現為各節電池電壓不相等。

均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節電芯多出來的電量轉移給電量最少的那節電芯，或者轉移給整串電池，實現能量回收。被動均衡是把電量最多的那節電芯多出來的電量通過電阻發熱消耗掉。

圖10、亞德諾主動均衡電路框圖（圖源：ADI）

網上我們找到一款電動汽車BMS的BOM如下：

表1、某電動汽車BMS部分元器件

汽車BMS里的芯片，除了MCU、AFE、ADC、阻容感等，所有元器件都需通過車規認證標準。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了車規芯片的優勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業供需略盡綿薄之力。