【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車(chē)高壓電池管理系統(tǒng) (BMS) 技術(shù)正在快速發(fā)展。設(shè)計(jì)人員正在測(cè)試各種新架構(gòu)，以增加單次充電的里程，并縮短充電時(shí)間。本白皮書(shū)對(duì)使用更高電壓的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估涉及多個(gè)組件的更嚴(yán)格要求、不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性及其對(duì)功能安全的影響。
面臨這些挑戰(zhàn)，原始設(shè)備制造商 (OEM) 開(kāi)始探索可切換的新型2 x 400V / 800V架構(gòu)。它可實(shí)現(xiàn)快速充電，并復(fù)用現(xiàn)有系統(tǒng)解決方案 (如牽引逆變器)，為BMS開(kāi)發(fā)人員和最終用戶(hù)提供兩全其美的解決方案。
使用800V架構(gòu)的動(dòng)機(jī)
通往快速充電之路
長(zhǎng)久以來(lái)，有限的里程和較長(zhǎng)的充電時(shí)間一直被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 普及過(guò)程中的兩大挑戰(zhàn)。新型電池化學(xué)材料和智能電池管理系統(tǒng)在擴(kuò)大行駛里程方面取得了很大成效。然而，充電速度仍是個(gè)問(wèn)題，尤其是在長(zhǎng)途旅行或時(shí)間緊迫的時(shí)候。
直流快速充電器只需30至45分鐘即可將電池充至80%的電量。盡管使用更高的功率可加快車(chē)輛的充電速度，但這也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。當(dāng)電能通過(guò)電纜從充電樁進(jìn)入汽車(chē)電池時(shí)，內(nèi)置電阻在高電流導(dǎo)通下會(huì)溫度上升。因此，對(duì)于典型的400V EV電池，充電速率受多個(gè)因素的限制，比如傳輸充電電流所需的電纜橫截面積或電池單元的溫度。一些直流快速充電樁會(huì)對(duì)電纜進(jìn)行液體冷卻，以控制由于I2R功耗導(dǎo)致的溫度上升。因此，通過(guò)增加電壓而非電流來(lái)提高輸出功率似乎很合理。
高功率輸出
保時(shí)捷Taycan EV是第一款由大型汽車(chē)廠商制造的量產(chǎn)級(jí)高壓汽車(chē)，其系統(tǒng)電壓為800V，而非常見(jiàn)的400V。保時(shí)捷在發(fā)布這款汽車(chē)時(shí)表示，將電池電壓增加一倍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高性能，縮短充電時(shí)間，并減少電纜的重量和安裝空間。350kW三級(jí)超快速充電樁可在短短的15分鐘內(nèi)將電池充至80%的電量。然而，800V EV設(shè)計(jì)要求對(duì)所有電氣系統(tǒng)進(jìn)行新的考量，同時(shí)對(duì)與電池管理系統(tǒng)明顯相關(guān)的幾個(gè)組件提出了更嚴(yán)格的要求。
使用更高電壓的結(jié)果
更多接觸器，更高規(guī)格
與內(nèi)燃機(jī)車(chē)中的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)功能一樣，主要接觸器會(huì)在車(chē)輛停止時(shí)，對(duì)電池和牽引逆變器進(jìn)行電氣隔離，并在車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)將兩者重新連接起來(lái)。獨(dú)立接觸器可在電池與直流鏈路和充電器總線(xiàn)之間建立連接和斷開(kāi)連接，一條總線(xiàn)位于正供電軌上，另一條位于負(fù)供電軌上。使用額外的直流充電接觸器， 以在直流充電樁和電池之間建立連接，從而實(shí)現(xiàn)了直流快速充電。還有一些適用于車(chē)廂電氣加熱器以及電池加熱器的輔助接觸器，以便優(yōu)化寒冷天氣條件下的效率。
使用更高電壓很有可能產(chǎn)生損壞電弧。相比傳統(tǒng)400V架構(gòu)， 800V架構(gòu)需要滿(mǎn)足更嚴(yán)格的隔離要求，而這會(huì)提高解決方案成本。
連接器爬電距離和電氣間隙
所有互連系統(tǒng)都需要滿(mǎn)足安全、高效和可靠性要求。電池管理系統(tǒng)還必須緊湊輕巧。然而，電壓電平越高，連接器引腳之間的爬電距離和電氣間隙就要越大，以確保不存在由電弧引起的短路故障風(fēng)險(xiǎn)。盡管各連接器制造商已克服了這些問(wèn)題，但成本卻高于400V架構(gòu)中使用的連接器，從而可能影響最終解決方案的成本。
傳動(dòng)系統(tǒng)組件
牽引逆變器模塊中的組件額定值取決于最大電池電壓。如果最大電池電壓上升至800V，適用的額定組件的數(shù)量就會(huì)大大減少，而且其售價(jià)可能會(huì)很高。對(duì)于400V電池，由于利用了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的成本優(yōu)勢(shì)，組件的選擇范圍比較廣，牽引逆變器模塊的價(jià)格也更合理。
不同的電池架構(gòu)有其固有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，汽車(chē)OEM需要分析并決定哪種架構(gòu)最適合其生產(chǎn)模型，同時(shí)確保系統(tǒng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)的一種創(chuàng)新型解決方案就是使用兩個(gè)獨(dú)立的400V電池。它們?cè)诔潆姇r(shí)串聯(lián)連接 (總共800V)，從而顯著縮短充電時(shí)間，并在行駛時(shí)并聯(lián)連接 (400V)。這確保了牽引逆變器模塊的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，并可在不同車(chē)型中復(fù)用。
提高復(fù)雜性和功能安全性
事實(shí)上，將電池電壓從400V增加至800V不可避免地要增加系統(tǒng)中的電池感測(cè)器件，即電池單元控制器 (BCC)。由于失效率 (FIT) 概率的提高，感測(cè)器件的數(shù)量增加會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)功能安全的挑戰(zhàn)。然而，ISO 26262:2018標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)BMS解決方案建議的最大殘余FIT并未改變。
BCC只獲得總系統(tǒng)FIT的一定次數(shù)，所以不能大幅增加。如果增加了它的FIT預(yù)算，則會(huì)影響系統(tǒng)其他部分的預(yù)算，從而給其他領(lǐng)域帶來(lái)更大挑戰(zhàn)，并且這只是將問(wèn)題從一個(gè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)領(lǐng)域。
充電電壓從400V切換至800V
解決上述大多數(shù)挑戰(zhàn)的一個(gè)創(chuàng)新型解決方案就是可切換架構(gòu)，該架構(gòu)可在電池充電時(shí)，將電壓從原來(lái)的400V轉(zhuǎn)變?yōu)?00V。電池組由2個(gè)400V電池組成，這兩個(gè)電池在日常使用時(shí)并聯(lián)連接，以便使用標(biāo)準(zhǔn)400V傳動(dòng)系統(tǒng)組件，如逆變器和車(chē)載充電器，同時(shí)電池容量和里程不會(huì)受到影響。在充電期間，BMS將這兩個(gè)電池切換至串聯(lián)配置，從而將電壓提升至 800V，同時(shí)降低電流，縮短充電時(shí)間。恩智浦研發(fā)的器件和解決方案，現(xiàn)已準(zhǔn)備好為OEM開(kāi)發(fā)這些可切換架構(gòu)提供支持，并應(yīng)對(duì)這些架構(gòu)帶來(lái)的新挑戰(zhàn)。
HVBMS 800V簡(jiǎn)要功能框圖
通用硬件和軟件支持可擴(kuò)展性
S32K3 BMS處理器
恩智浦S32K3系列控制器支持400V和800V架構(gòu)以及新型可切換架構(gòu)。這款高度可擴(kuò)展的器件基于工作頻率達(dá)240MHz的Arm?? Cortex??-M7內(nèi)核，采用可擴(kuò)展內(nèi)存空間，最高支持8MB的Flash，符合ASIL B和D等級(jí)，以及分別符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)和ISO 21434網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)功能安全硬件和軟件IP以及硬件和軟件安全特性。
本系列中的器件使用同類(lèi)型外設(shè)和引腳輸出，允許開(kāi)發(fā)人員在一個(gè)芯片系列中或在S32K3產(chǎn)品組合內(nèi)的其他處理器之間輕松遷移，以利用更多內(nèi)存或功能集成，從而最大限度地復(fù) 用硬件和軟件，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，恩智浦還為不同開(kāi)發(fā)階段提供易于使用的支持軟件、應(yīng)用專(zhuān)用的軟件以及由 廣泛的第三方生態(tài)系統(tǒng)提供的各種開(kāi)發(fā)工具。
MC33665 BMS網(wǎng)關(guān)
設(shè)計(jì)人員可結(jié)合使用恩智浦S32K3 BMS處理器與MC33665 BMS收發(fā)器/網(wǎng)關(guān)IC，創(chuàng)建更靈活的高效架構(gòu)。與目前使用的專(zhuān)有通信解決方案相比，該器件還允許將電池內(nèi)部的通信標(biāo)準(zhǔn)化為CAN FD通信。
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化CAN FD通信，OEM可使用單個(gè)通用型電池管理單元 (BMU)，而不是多個(gè)自定義BMU，從而簡(jiǎn)化組裝，降低物料 (BOM) 成本，并顯著縮短新電池型號(hào)的上市時(shí)間。通過(guò)域控制器以及與云計(jì)算和數(shù)字孿生模型的兼容性，這種電池平臺(tái)還可以輕松地對(duì)電池軟件進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程 (OTA) 升級(jí)。
MC33665可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要功能:收發(fā)器和網(wǎng)關(guān)。該器件安裝在BMU上，可將與電池接線(xiàn)盒(BJB) 和電池芯監(jiān)控單元 (CMU) 的通信捆綁在一起。由于有四條ETPL線(xiàn)路，該器件可以建立多個(gè)菊花鏈，以便連接多個(gè)CMU板，并處理所有通信和消息路由，從而減少M(fèi)CU的計(jì)算電力負(fù)荷。該功能可輕松在各 自功能模塊中同步執(zhí)行電池組電流和電池電壓測(cè)量，從而有 助于確定電池芯和電池組的阻抗。此外，環(huán)回功能可提高電 池解決方案內(nèi)部通信電路的穩(wěn)健性。
方案：電池架構(gòu)
該軟件定義的解決方案斷開(kāi)了應(yīng)用層軟件與物理模塊或電池芯——電池組配置的連接。利用恩智浦MC3377x系列的可擴(kuò)展BCC產(chǎn)品組合，可滿(mǎn)足6~18個(gè)電池芯的應(yīng)用要求，同時(shí)保證功能安全性和軟件兼容性。這種靈活性可滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的不同市場(chǎng)需求。
功能安全性
恩智浦開(kāi)發(fā)出了FIT概率更低的新器件，以應(yīng)對(duì)功能安全挑戰(zhàn)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)新的功能安全概念、檢測(cè)方法和安全架構(gòu)，恩智浦提高了器件的故障模式的診斷覆蓋率，從而將殘余FIT降低至可接受水平，以支持電壓更高的解決方案。
解決電磁兼容 (EMC) 挑戰(zhàn)
為解決更高電壓系統(tǒng)中的EMC挑戰(zhàn)，以及800V適用的連接器的高成本問(wèn)題，我們需要探索新的通信路徑。這些新路徑應(yīng)具有軟件向后兼容性，方便從當(dāng)前的先進(jìn)解決方案進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
結(jié)論
2 x 400V / 800V可切換電池架構(gòu)為OEM提供了兩全其美的解決方案：既保證了更高的里程，又實(shí)現(xiàn)了快速充電，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生額外的傳動(dòng)系統(tǒng)組件成本。通過(guò)提供400V或800V的解決方案，以及利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)的成本優(yōu)勢(shì)，使用該架構(gòu)的OEM還可以增加其品牌產(chǎn)品的靈活性。
恩智浦作為一級(jí)供應(yīng)商的完整系統(tǒng)提供商，可提供完整可擴(kuò)展的芯片組解決方案，支持多種電池架構(gòu)的BMS功能。恩智浦提供全面的高壓電池管理系統(tǒng) (HVBMS) 參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)完全遵循ISO 26262:2018汽車(chē)功能安全標(biāo)準(zhǔn)的V模型，可幫助開(kāi)發(fā)人員應(yīng)對(duì)新架構(gòu)方案所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
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