鉅大LARGE | 點擊量：881次 | 2021年07月27日
惟有跳出專用IC方法 電池管理系統(tǒng)創(chuàng)新才可期望
電池管理專用IC的出現(xiàn)和發(fā)展是和鋰離子電池使用過程中遇到的種種問題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰離子電池的過充過放而設(shè)計出了單節(jié)電池的充放電保護(hù)芯片，后來在鋰離子電池多節(jié)串聯(lián)使用中又發(fā)展出使用于多串的芯片，這時候就成為了電池管理芯片，緊要是對電池包中的每節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。再以后為了應(yīng)對電池不一致的問題，進(jìn)一步集成了功率開關(guān)的驅(qū)動功能，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成績了早期的bMS產(chǎn)業(yè)，也引領(lǐng)了bMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因為有了專用芯片，bMS的設(shè)計才能大大簡化，產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高，但是同時，我們也要看到專用芯片的局限性。前面說過，電池管理專用芯片也是隨著鋰離子電池的使用發(fā)展起來的，而早期的鋰離子電池多用于小型電子設(shè)備，后來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)鋰離子電池包使用到電動汽車時，情況開始有了變化。電動汽車用鋰離子電池包是高串?dāng)?shù)、大容量的電池串聯(lián)使用，動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位數(shù)級別的串聯(lián)使用可以相比的。專用IC也沒有閑著，迅速地推出了更多串?dāng)?shù)使用的產(chǎn)品，但是考慮到電壓和使用復(fù)雜度一般都不超過20串。使用這些IC設(shè)計的bMS的典型架構(gòu)是聚集式架構(gòu)。bMS和電池包之間惟有連線，連線數(shù)量取決于電池包串?dāng)?shù)，在bMS電路板上的電池管理專用芯片數(shù)量也取決于電池包串?dāng)?shù)。
從示意圖中可以看出，聚集式bMS產(chǎn)品的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。在電池包串?dāng)?shù)較低時，比如說10來串，連線還算不太復(fù)雜，而且在電池包容量小的情況下，bMS安裝位置可以靠近整個電池包，縮短連線距離，電池包----bMS，整個能量系統(tǒng)比較緊湊一體，在電動自行車和電動摩托車上比較適合。但是在電動汽車鋰離子電池包上使用時，因為要電池容量大，成組后物理尺寸比較大，連線會較長，而且長短不一，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。
還有一個緊要的細(xì)節(jié)就是這些連線的順序是要固定的，因為專用芯片的管腳已經(jīng)事先含義了電池串聯(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)計工作上這并沒有什么困難，但是在bMS與電池包的實際連接工作中卻是一個不小的麻煩事。一般線都是一端和電池連接在一起，另一端通過插件接入bMS，與電池連接這些工作今朝都是人工完成，未來也很難由機(jī)器完成，連接在每串電池每個電極上的線都不能出任何失誤，這整個的工作量大小可想而知。通過聚集式架構(gòu)的分解，我們看到，專用IC比較適用于小容量、低串?dāng)?shù)的場合，在大容量、高串?dāng)?shù)的場合會有連線復(fù)雜，要一一對應(yīng)的缺點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
再看均衡的問題，聚集式架構(gòu)比較適合完成被動均衡，電路設(shè)計上不新增復(fù)雜度，今朝的主流專用IC也都有此功能。但是電流能力有限，百毫安級別，在電池包使用初期一致性差別不大的情況下問題倒也不大，在中后期一致性差別較大的情況下就會有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險。倘若要加入主動均衡功能，現(xiàn)有架構(gòu)基本沒有任何幫助，要額外的線束和開關(guān)矩陣，電路復(fù)雜程度急劇上升。開關(guān)矩陣要大量的電子開關(guān)，MOSFET，但是因為數(shù)量多，其控制電路相當(dāng)復(fù)雜，有公司用繼電器代替，簡化了設(shè)計，但是帶來了繼電器作為一個機(jī)械開關(guān)的壽命問題和誤動作風(fēng)險。
當(dāng)然也可以通過降低繼電器的開關(guān)頻率來延長其壽命，通過誤動作檢查來避開風(fēng)險，但是這樣做始終是無法保證器件的均勻無故障工作時間，更何況繼電器的數(shù)量也是相當(dāng)多，不止一個。這是一種不得已而為之的讓步方法，而不是處理主動均衡開關(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立分離，整個系統(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總線傳入bMU。這種架構(gòu)通過總線處理了線束復(fù)雜的難題，而且安裝相對簡單，效率高，柔性好，適合不同電池包規(guī)模大小。分布式的bMS可以不用電池管理專用IC，是拋開專用IC進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的一個相對成功的思路。
不足的是，分布式架構(gòu)也沒有處理一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡的難題，CSC同樣要設(shè)置地址(雖然可以在安裝后設(shè)置，比聚集式架構(gòu)在安裝前就要確定要容易實現(xiàn)，出錯概率小)，主動均衡依然要額外的線束和開關(guān)矩陣。而且因為每個CSC上都要MCU和帶有隔離的通訊總線，價格要高于聚集式架構(gòu)bMS，尤其在低串?dāng)?shù)上優(yōu)點不大。
分布式的思路給了聚集式的一個很好的提示，這就是通過總線處理線束問題，專用IC也看到了其中的好處，迅速推出了帶有無需隔離的通訊總線，進(jìn)一步完善了自己。半分布式架構(gòu)，實際上是二級聚集式的架構(gòu)成為了bMS主流設(shè)計之一。這就是將整個電池包分為幾個模組，每個模組使用采用專用芯片設(shè)計成的一個小bMS，然后通過總線連接到一個最終的控制器上。半分布式架構(gòu)聚集了分布式的線束少的優(yōu)勢和聚集式的設(shè)計簡單的優(yōu)勢，但是可惜的是，往日架構(gòu)沒能處理的問題也跟著繼承下來，一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡的難題依然存在。
追本溯源，一一對應(yīng)的關(guān)系和主動均衡中開關(guān)矩陣的難題都來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。因為是多串使用，在專用IC上，每個電池測試通道非得事先就要確定編號，事后再得知每個通道的順序無法想象，目前看任何IC都無法設(shè)計出這么一個功能。同樣，開關(guān)矩陣也是來源于多串使用，又因為涉及到功率部分，這更是IC的天然弱勢，現(xiàn)有架構(gòu)對主動均衡無能為力的原由就在于此。所以，倘若是低串?dāng)?shù)，無需主動均衡功能的使用，采用專用IC方法是可行的，比如電動工具、電動自行車和電動摩托車；在電動汽車級別的使用中，尤其是要完成主動均衡功能，采用專用IC來設(shè)計bMS還是比較吃力的。
從2015年的產(chǎn)量上看，電動汽車已經(jīng)順利完成了產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期，后面就是發(fā)展期。bMS急需處理痼疾，市場呼喊新品，惟有跳出專用IC方法，bMS創(chuàng)新方可期望。
