專用IC方案或?qū)⒊蔀殡姵毓芾硐到y(tǒng)創(chuàng)新的絆腳石

時(shí)間:2016-01-21 09:03來(lái)源:第一電動(dòng)網(wǎng) 作者:西顧
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　　借用經(jīng)濟(jì)界的一句術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車BMS產(chǎn)品目前正處于“滯脹”的狀態(tài)。雖然產(chǎn)品功能在不斷完善，市場(chǎng)應(yīng)用在不斷擴(kuò)大，但是產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)水平卻還停滯不前，原有的痛點(diǎn)依然存在。造成這一局面的主要原因之一，就是我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，都是選用國(guó)外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理專用IC，并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。BMS產(chǎn)品可以分為軟件算法和硬件架構(gòu)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，因?yàn)檐浖惴ǜ鼮閷I(yè)高深，且與硬件部分關(guān)聯(lián)不大，本文只針對(duì)硬件架構(gòu)與產(chǎn)品功能表現(xiàn)之間的聯(lián)系這部分內(nèi)容進(jìn)行分析討論。
 
　　先從電池管理專用芯片說(shuō)起。電池管理專用IC的出現(xiàn)和發(fā)展是和鋰電池應(yīng)用過(guò)程中遇到的種種問(wèn)題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰電池的過(guò)充過(guò)放而設(shè)計(jì)出了單節(jié)電池的充放電保護(hù)芯片，后來(lái)在鋰電池多節(jié)串聯(lián)應(yīng)用中又發(fā)展出應(yīng)用于多串的芯片，這時(shí)候就成為了電池管理芯片，主要是對(duì)電池組中的每節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。再以后為了應(yīng)對(duì)電池不一致的問(wèn)題，進(jìn)一步集成了功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)功能，這就是帶有均衡功能的電池管理IC。
 
　　客觀的講，電池管理專用IC成就了早期的BMS產(chǎn)業(yè)，也引領(lǐng)了BMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因?yàn)橛辛藢Ｓ眯酒�，BMS的設(shè)計(jì)才能大大簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高，但是同時(shí)，我們也要看到專用芯片的局限性。前面說(shuō)過(guò)，電池管理專用芯片也是隨著鋰電池的應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，而早期的鋰電池多用于小型電子設(shè)備，后來(lái)在筆記本電腦中得到廣泛使用，至此電池管理專用芯片一直都是為低串?dāng)?shù)、小型設(shè)備服務(wù)。當(dāng)鋰電池組應(yīng)用到電動(dòng)汽車時(shí)，情況開(kāi)始有了變化。電動(dòng)汽車用鋰電池組是高串?dāng)?shù)、大容量的電池串聯(lián)使用，動(dòng)輒幾十串甚至上百串的數(shù)量已經(jīng)不是筆記本電腦中幾串這種個(gè)位數(shù)級(jí)別的串聯(lián)使用可以相比的。專用IC也沒(méi)有閑著，迅速地推出了更多串?dāng)?shù)應(yīng)用的產(chǎn)品，但是考慮到電壓和應(yīng)用復(fù)雜度一般都不超過(guò)20串。使用這些IC設(shè)計(jì)的BMS的典型架構(gòu)是集中式架構(gòu)。BMS和電池組之間只有連線，連線數(shù)量取決于電池組串?dāng)?shù)，在BMS電路板上的電池管理專用芯片數(shù)量也取決于電池組串?dāng)?shù)。
 

 
　　從示意圖中可以看出，集中式BMS產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在電池組串?dāng)?shù)較低時(shí)，比如說(shuō)10來(lái)串，連線還算不太復(fù)雜，而且在電池組容量小的情況下，BMS安裝位置可以靠近整個(gè)電池組，縮短連線距離，電池組----BMS，整個(gè)能量系統(tǒng)比較緊湊一體，在電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車上比較適合。但是在電動(dòng)汽車鋰電池組上應(yīng)用時(shí)，因?yàn)樾枰姵厝萘看�，成組后物理尺寸比較大，連線會(huì)較長(zhǎng)，而且長(zhǎng)短不一，再加上串?dāng)?shù)眾多，連線數(shù)量也就很多，幾十條甚至上百條線的排布非常麻煩。還有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)就是這些連線的順序是需要固定的，因?yàn)閷Ｓ眯酒墓苣_已經(jīng)事先定義了電池串聯(lián)順序，所以每串電池上的連線要接入到BMS指定的接插件腳位。雖然在BMS設(shè)計(jì)工作上這并沒(méi)有什么困難，但是在BMS與電池組的實(shí)際連接工作中卻是一個(gè)不小的麻煩事。一般線都是一端和電池連接在一起，另一端通過(guò)插件接入BMS，與電池連接這些工作現(xiàn)在都是人工完成，將來(lái)也很難由機(jī)器完成，連接在每串電池每個(gè)電極上的線都不能出任何失誤，這整個(gè)的工作量大小可想而知。通過(guò)集中式架構(gòu)的分析，我們看到，專用IC比較適用于小容量、低串?dāng)?shù)的場(chǎng)合，在大容量、高串?dāng)?shù)的場(chǎng)合會(huì)有連線復(fù)雜，需要一一對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)。
 
　　再看均衡的問(wèn)題，集中式架構(gòu)比較適合完成被動(dòng)均衡，電路設(shè)計(jì)上不增加復(fù)雜度，現(xiàn)在的主流專用IC也都有此功能。但是電流能力有限，百毫安級(jí)別，在電池組使用初期一致性差別不大的情況下問(wèn)題倒也不大，在中后期一致性差別較大的情況下就會(huì)有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險(xiǎn)。如果要加入主動(dòng)均衡功能，現(xiàn)有架構(gòu)基本沒(méi)有任何幫助，需要額外的線束和開(kāi)關(guān)矩陣，電路復(fù)雜程度急劇上升。開(kāi)關(guān)矩陣需要大量的電子開(kāi)關(guān)，MOSFET，但是因?yàn)閿?shù)量多，其控制電路相當(dāng)復(fù)雜，有企業(yè)用繼電器代替，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，但是帶來(lái)了繼電器作為一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)的壽命問(wèn)題和誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然也可以通過(guò)降低繼電器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)延長(zhǎng)其壽命，通過(guò)誤動(dòng)作檢查來(lái)避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)，但是這樣做始終是無(wú)法保證器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間，更何況繼電器的數(shù)量也是相當(dāng)多，不止一個(gè)。這是一種不得已而為之的妥協(xié)方案，而不是解決主動(dòng)均衡開(kāi)關(guān)矩陣難題的正解。
 
        為了解決連線復(fù)雜的難題，出現(xiàn)了分布式架構(gòu)的BMS。這種BMS是將信息采集傳遞的功能與其他功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)分成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)，CSC安裝在單串電池上，負(fù)責(zé)本串電池信息采集和傳遞，每串電池的信息通過(guò)總線傳入BMU。這種架構(gòu)通過(guò)總線解決了線束復(fù)雜的難題，而且安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，效率高，柔性好，適合不同電池組規(guī)模大小。分布式的BMS可以不用電池管理專用IC，是拋開(kāi)專用IC進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)相對(duì)成功的思路。不足的是，分布式架構(gòu)也沒(méi)有解決一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題，CSC同樣需要設(shè)置地址(雖然可以在安裝后設(shè)置，比集中式架構(gòu)在安裝前就需要確定要容易實(shí)現(xiàn)，出錯(cuò)概率小)，主動(dòng)均衡仍然需要額外的線束和開(kāi)關(guān)矩陣。而且因?yàn)槊總�(gè)CSC上都需要MCU和帶有隔離的通訊總線，價(jià)格要高于集中式架構(gòu)BMS，尤其在低串?dāng)?shù)上優(yōu)勢(shì)不大。
 

 
　　分布式的思路給了集中式的一個(gè)很好的提示，這就是通過(guò)總線解決線束問(wèn)題，專用IC也看到了其中的好處，迅速推出了帶有無(wú)需隔離的通訊總線，進(jìn)一步完善了自己。半分布式架構(gòu)，實(shí)際上是二級(jí)集中式的架構(gòu)成為了BMS主流設(shè)計(jì)之一。這就是將整個(gè)電池組分為幾個(gè)模組，每個(gè)模組使用采用專用芯片設(shè)計(jì)成的一個(gè)小BMS，然后通過(guò)總線連接到一個(gè)最終的控制器上。半分布式架構(gòu)集中了分布式的線束少的優(yōu)點(diǎn)和集中式的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是遺憾的是，以前架構(gòu)沒(méi)能解決的問(wèn)題也跟著繼承下來(lái)，一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題仍然存在。
 
　　追本溯源，一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡中開(kāi)關(guān)矩陣的難題都來(lái)自于電池管理專用芯片的先天局限，盡管電池管理專用芯片也在不斷進(jìn)化。因?yàn)槭嵌啻畱?yīng)用，在專用IC上，每個(gè)電池檢測(cè)通道必須事先就要確定編號(hào)，事后再得知每個(gè)通道的順序無(wú)法想象，目前看任何IC都無(wú)法設(shè)計(jì)出這么一個(gè)功能。同樣，開(kāi)關(guān)矩陣也是來(lái)源于多串應(yīng)用，又因?yàn)樯婕暗焦β什糠�，這更是IC的天然弱勢(shì)，現(xiàn)有架構(gòu)對(duì)主動(dòng)均衡無(wú)能為力的原因就在于此。所以，如果是低串?dāng)?shù)，無(wú)需主動(dòng)均衡功能的應(yīng)用，采用專用IC方案是可行的，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車；在電動(dòng)汽車級(jí)別的使用中，尤其是要完成主動(dòng)均衡功能，采用專用IC來(lái)設(shè)計(jì)BMS還是比較吃力的。
 
　　從2015年的產(chǎn)量上看，電動(dòng)汽車已經(jīng)順利完成了產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期，后面就是發(fā)展期。BMS急需解決痼疾，市場(chǎng)呼喚新品，只有跳出專用IC方案，BMS創(chuàng)新方可期待。
 
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    2015-11-04 09:02

  • 沃特瑪創(chuàng)新聯(lián)盟電動(dòng)化系統(tǒng)解決方案 亮相新能源汽車展

    沃特瑪創(chuàng)新聯(lián)盟以在行業(yè)有著近10年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的沃特瑪動(dòng)力電池為核心，整合了電機(jī)、電控等整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)和其他零部件，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和技術(shù)匹配，讓電動(dòng)汽車的各個(gè)部件都能良好協(xié)作在一起，并通過(guò)民富沃能運(yùn)營(yíng)平臺(tái)進(jìn)行自主的運(yùn)營(yíng)管理和充維管理，最大限度保障電
    2015-10-23 08:20

  • 微軟“軟件定義電池”方案 可大大延長(zhǎng)筆記本續(xù)航時(shí)間

    科學(xué)家已經(jīng)花了幾十年的時(shí)間，為筆記本和平板電腦設(shè)計(jì)一個(gè)更為持久耐用的電池。但時(shí)至今日，在這方面的實(shí)質(zhì)性突破幾乎沒(méi)有。 最近，微軟提出了一個(gè)非常激進(jìn)的方案：為什么我們不能制造一臺(tái)更聰明的電腦？微軟希望，使用現(xiàn)有的多個(gè)類型電池，通過(guò)智能管理軟件
    2015-10-13 08:05
本月熱點(diǎn)

  • 注冊(cè)資本近1.15億元！兩巨頭成立電池回收企業(yè)

    近日，廣州優(yōu)美再生技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱廣州優(yōu)美）正式成立，公司由優(yōu)湃能源科技（廣州）有限公司與格林美集團(tuán)下屬武漢動(dòng)力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊(cè)資本約1.15億人民幣，經(jīng)營(yíng)范圍含化工產(chǎn)品銷售
    2024-04-16 10:29

  • 寧德時(shí)代、科達(dá)利、特斯拉等發(fā)力這一新賽道！

    4月22日，科達(dá)利發(fā)布公告稱，公司與臺(tái)灣盟立臺(tái)灣盟立、臺(tái)灣盟英擬共同投資深圳市科盟創(chuàng)新機(jī)器人科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱深圳科盟）并簽署《投資合作協(xié)議書(shū)》。深圳科盟并簽署《投資合作協(xié)議書(shū)》。深圳科盟注冊(cè)資本擬為人民幣1億元，其中公司以現(xiàn)金方式投入人
    2024-04-24 10:11

  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時(shí)代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車展上，寧德時(shí)代舉行乘用車新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時(shí)，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長(zhǎng)安汽車 共同打造動(dòng)力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國(guó)長(zhǎng)安、長(zhǎng)安汽車共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開(kāi)展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊(cè)資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬(wàn)元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計(jì)劃通過(guò)其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國(guó)香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項(xiàng)目公司，實(shí)施一項(xiàng)年產(chǎn)10萬(wàn)噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項(xiàng)目 。 據(jù)了解， 項(xiàng)目計(jì)劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰(shuí)將最終勝出？

    近年來(lái)，憑借高密度、更安全性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場(chǎng)關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績(jī)預(yù)告，預(yù)計(jì)今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對(duì)天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營(yíng)業(yè)務(wù)開(kāi)展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價(jià)格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說(shuō)明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險(xiǎn)等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間！

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月16日，日產(chǎn)汽車公開(kāi)全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場(chǎng)所，在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬(wàn)平方米空間，為搬入設(shè)備推進(jìn)施工。 日產(chǎn)計(jì)劃2025年3月開(kāi)始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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