【原创】BMS也无线化!TI发布业界领先的无线BMS解决方案,革新电动汽车电池管理

winniewei 提交于 周一, 02/01/2021
【原创】BMS也无线化!TI发布业界领先的无线BMS解决方案,革新电动汽车电池管理

作者:张国斌

2020年5月8日14时23分,广东东莞市塘厦镇木莲路旁一辆东风牌新能源汽车在充电充电时突然起火,现场浓烟滚滚,并伴随爆炸。据监控显示,在14时23分10秒左右,第一台电动汽车在充电时底部瞬间冒出大量黑色浓烟,底部起火之后引燃旁边停放的一台电动货车,由于现场风力较大,导致另外两台电动汽车也被引燃!

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近一两年,随着电动汽车的普及,电动汽车起火燃烧事件屡有发生!这是2020年4月28日,深圳光明区凤凰街道塘尾社区罗群围大道一汽车充电站发生汽车起火爆炸,周围多辆新能源车受到波及。 

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据不完全统计,仅在2020年1月至8月之间,被爆出的新能源汽车起火事件至少有20起。事故发生的地点在全国各地,而且品牌也分布很广泛。

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在新能源车自燃事故后的厂家调查结果中,往往会将原因归结于“电池受到外力损伤”、机舱内或车内异物引燃,或“不明原因”、外界火源等。但是不可回避的是这些事故大部分都与新能源汽车的电池有关。

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与传统燃油车相比,新能源汽车裙下藏着巨大的电池组(如上图所示),会受到多重威胁,如碰撞、高温、快充,都有可能引起自燃的情况。由于电池的特殊性,与火后燃烧更为迅猛、灭火时难度系数更大,温度快速升高后,还会有爆炸的风险。

要对车载电池组进行有效的监控、保护、能量均衡和故障警报,进而提高整个动力电池组的工作效率和使用寿命就需要一套电池管理系统BMS(Battery Management System),它负责控制电池的充电和放电以及实现电池状态估算等功能。如果把一台电动车比作人体的话,那么电池系统就是他的心脏,而BMS电池管理系统就是支配其身体运作的大脑。

当电池处于严重过充电状态下就存在爆炸的危险,造成电池组损坏的同时还对使用者的人生安全造成威胁。因此,必须为电动汽车上的动力电池组配备一套BMS,BMS系统的主要工作分成两大任务——对电池的检测和保证电池安全。其中电池检测主要是通过传感器收集电池在使用过程中的参数信息如温度、每一个电池单体的电压、电流,电池组的电压、电流等。这些数据在之后的电池组管理中起到至关重要的作用,可以说如果没有这些电池状态的数据作为支撑,电池的系统管理就无从谈起。

BMS的另一个功能就是保证电池安全,BMS的“充放电管理”模块就开启了保护职能,一方面与整车、充电机实现通讯,另一方面实时提供电池状态,便于及时发出指令控制,有效防止高充、低放的发生。不过,和其他产品一样,BMS在对电池的管理上各家都有自己的算法,因此,BMS也存在差异性,但是不可否任的是高性能高可靠BMS对新能源汽车的安全至关重要。

1 TI在BMS上有多年积累

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“我们无法评论具体的事故情况。但是,恰当的功能安全设计应有助于在出现火灾或任何其他危险情况之前提供系统故障检测和预警。”近日,在TI无线BMS新品发布会上,德州仪器 (TI) 中国区嵌入式与数字光处理应用技术总监TI师英 (Jerry Shi)指出,“自2014年以来,每年德州仪器都会推出数百种全新车规级IC,在长期供货方面,TI给客户的承诺是依赖于全球14个生产基地和专有工艺封装,实现保质保量按时交付,针对系统设计,TI把汽车电子化分为几个不同的细分领域,在这些细分领域中挑选了最有设计挑战难度的150种汽车电子系统,基于这些汽车电子系统有一个系统工程团队,提供参考设计并帮客户做一些定制化设计,迄今已有350多种经过全面测试的电路参考设计。”

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他指出当前,新能源汽车最大的顾虑是里程焦虑以及整车安全,而几乎所有新能源汽车的BMS系统都是有线BMS系统,在这样一个有线的BMS系统里,每一节电池包里的每个模组,模组里的每个电池都必须通过一个通信电缆连接到一个可以调节电量、实现电池电芯监控和平衡的监控芯片上。为了确保通信电缆的连接可靠,一般采用菊花链连接,且线缆多采用重型铜线,这会造成让电池包里的电缆布置变得非常庞杂还会增加其重量。“跟客户交流时,我们发现对电池包故障率来讲,电缆和连接器故障是导致电池包出现故障的主要原因。一旦电缆或者连接器出现问题可能需要更换整个电池包,费用也会很昂贵。从这几个方面考虑,我们设计了无线BMS系统尝试解决这些技术挑战。”他指出。

2 TI对的无线BMS

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据介绍,TI的无线BMS业界领先的无线BMS解决方案,可以应用到各种电池管理中,它革新了电动汽车电池管它可使汽车制造商能够降低其设计的复杂性、提高可靠性并减轻汽车重量,从而延长行驶里程。得益于能够灵活地跨生产模型调整设计,汽车制造商可以通过TI全面的无线BMS产品更快地过渡到生产阶段,此无线BMS产品包括:SimpleLink?2.4GHz CC2662R-Q1无线微控制器(MCU)评估模块,软件和功能安全驱动工具(如安全手册;失效模式与影响分析FMEA;失效模式影响和诊断分析FMEDA;TüV SüD概念报告等)。

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他解释说SimpleLink CC2662R-Q1是一颗无线MCU 无线片上系统,这个芯片本身符合AEC-Q100标准。它基于Arm? Cortex?-M4 内核,片上也集成了无线子系统,它可以在2.4GHz带宽上实现短距离无线通讯。同时在芯片里也集成了专有无线协议,是专门为无线BMS开发的专有无线协议栈,集成在CC2662芯片内部可以快速组成无线BMS网络。

右边的BQ79616实际上是一个系列芯片,在这个系列有不同的通道数选择。BQ79616是16个通道,同时也有引脚和软件兼容的12个通道、14个通道和16个通道。引脚和软件兼容可以给用户提供最大的设计的灵活性,帮助他们在系统上降低成本。“如果有一个电池包的模组要求是28个电芯,假如用16通道的芯片,只能用两片16通道芯片,也就是32个通道。实际只需要28个通道,有4个通道浪费了,不过因为BQ79616和BQ79612这两颗芯片是引脚和软件都兼容的,所以可以用一片BQ79616加上一片BQ79612就可以拼成一个28通道模组,这样没有任何一个通道被浪费了。”他解释了如何节省成本。“最重要的BQ79616芯片或这一系列的芯片都符合ISO 26262 SüD级别标准。我们在通信、电芯温度、电芯电压测量等功能方面都可以达到SüD级别。”

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据悉,TI的无线BMS功能安全概念采用专为无线BMS使用案例开发的新无线协议,解决了通信错误检测和安全问题。借助CC2662R-Q1无线MCU实现的专有协议,可以在主机系统处理器与新发布的BQ79616-Q1电池监控器和平衡器之间进行稳定可靠和可扩展的数据交换。  

“关于网络协议栈,前面提到TI的无线协议栈是我们考察了针对汽车BMS系统技术挑战之后专门开发的一套无线BMS协议栈,它的网络可用性指标数据是99.999%,万一当0.001%的故障发生时,在任何情况下不超过300毫秒之内重新启动和建立无线网络,使得整个无线BMS系统不会被汽车的主机长时间丢失,可以恢复到汽车的主系统里面来。这是一个非常重要的指标。”师英指出,“300ms是网络形成的时间,这个时间并不是很长,考虑到通常网络要连起来所有的节点。因为一个BMS里有一个主服务器,有8到10个从服务器,所以当你从主服务器同步到所有的从服务器时这个时间并不长,我们网络重建的时间是TI方案的一个优势,当然我们以后的BMS方案时都想做得快一点,但我想300ms已是业界最好的性能。”

关于这个无线协议开发的SDK,目前已经可以在TI.com.cn去下载,是免费开放给用户使用的。

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德州仪器 (TI) 系统工程经理吴万邦 (Mark Ng)表示无线BMS符合BMS发展趋势,很多OEM(原始设备制造商)已在考虑无线BMS,因为它的优势是很明确的,“以减轻车体重量为例,我们评估过,通常有线变成无线的话,有几磅可以省掉,有的 OEM 可以节省出50到70磅,这些节省的就可以用来放大一点的电池包,增加续航里程。”他强调,“现在很多OEM没有用到无线BMS,是因为他们没有找到一个好方法,TI 的BMS就是从电池方案起家,很多BMS应用问题是可以在BMS 协议上解决。”

师英表示TI的无线BMS解决方案,除了具体技术指标如无线网络可用性99.999%,数据吞吐率是1.2M bps,每个节点的延迟不超过2ms等具体细节之外,可以概括出无线BMS两个最大特点:第一,无线BMS这套网络协议是考察了无线BMS面临的具体应用环境之后,专门针对无线BMS所打造的一套网络协议栈。第二,这套方案在设计之初,从设计展开的第一天就考虑了ISO 26262 SüD的设计过程和功能安全目标的考虑。在整个设计环节中都是考虑了ISO 26262 SüD要求来完成这套设计的。

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师英表示因为BQ79616芯片本身是符合SüD设计的芯片,它可以实时的监测和上报电芯的温度、电压,包括其他的一些关键参数,而且是当任何故障发生的时候,肯定可以实时监测到并上报这些故障信息。“此外,该BMS差异化核心竞争优势是其测量电池的精度。BQ7961X或者BQ79616这一代的测量模拟前端可以实现不超过±2毫伏误差,这在业界也是领先位置。在全温度范围,芯片的时间漂移都做了精密的测试。”他强调,“如果大家了解芯片特性,就知道BMS芯片的测量精度在它被焊接到PCB上之后还会有些变化。对于焊接之后的误差补偿,BQ79616芯在设计之初都额了,所以我们可以在电池电压测量精度上保持领先。”

吴万邦表示通过几个OEM评估过后,TI无线BMS的 EMI的性能非常好,且TI也从第三方拿到了认证。此外,该无线BMS系统自身耗电很低,CC2662待机功耗非常低,其工作时的平均电流是200微安,其功耗可以忽略不计。

师英表示当工程师从有线BMS转向无线BMS时,最大的一个转变就是需要一个学习曲线,他需要去重新学习这一套无线的BMS整个系统的设计和他的一些开发的考虑。所以,学习曲线是对于工程师来讲是任何一个新的设计任务都会面临的问题。TI在这个方面可以帮助客户工程师,TI的无线 BMS系统从硬件到软件,整体参考设计已非常完善,基于TI的参考设计,只需要很短时间就可以实用。他表示在无线BMS上应用的无线模式也可以延伸到其他领域。

目前汽车制造商可以免费下载SimpleLink无线BMS软件开发套件(SDK)以开启设计。所有采用BMS解决方案的产品,包括无线微控制器 CC2662R-Q1,SimpleLink无线BMS评估模块CC2662RQ1-EVM-WBMS和采用10mm x 10mm、64引脚HTQFP封装的16通道电池监控器和平衡器BQ79616-Q1,现均可在TI.com.cn立即购买。TI提供人民币交易结算、增值税发票开具、多样化支付方式,选购剪切带、完整卷带、定制卷带,订购预发布产品。线上下单,最快2天可达,全国各地无论产品发货地点、数量、重量或订单金额,可享统一标准运费。

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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