電動汽車電池管理中的監測系統研究

摘要：首先概述了電動汽車電池系統的安全注意事項，其次說明了電動汽車對電池管理系統的要求，然后詳細分析了電池管理系統的監測原理及具體實現單元，最后出于對電池管理系統中監測單元的高可靠性要求提出了冗余設計。

關鍵詞：電池管理;監測系統;通信環網

中圖分類號：U469.72;TM912? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）05-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.016

引言

電動汽車電池系統的安全注意事項涉及多個方面。其中，重要的傳統電氣安全注意事項旨在防止生產工人、車主、機械師和車輛回收人員暴露在高電壓下或受到電擊;機械方面的注意事項旨在防止電池被刺穿和受到撞擊損壞，以及解決電池內的液體和氣體可能會從電池中泄漏或排出的問題;考慮到鋰離子電池只有在比ICE車輛溫度更嚴苛的溫度范圍內才能最高效、安全地工作，電池組設計的注意事項也包含了熱安全注意事項;此外，電氣系統的功能安全注意事項可在車輛使用或充電時保持電池安全運行。

1? ? 電動汽車對電池管理系統的要求

鋰離子電池因具有高電荷密度和低重量的特點而被證明是純電動汽車最理想的動力來源。由于鋰離子電池的尺寸很大，工作性質上非常不穩定，再加上都是由單體電池組合而成，在任何情況下想要監控其電壓和電流工作情況都是非常困難的。為解決這一困難，就需要一個特殊的專用系統，即電池管理系統（BMS）。電池管理系統負責測量每個電池單元的電壓，因為過壓或欠壓條件可能會導致電池的熱故障;還負責測量電池組的溫度，如果檢測到過熱情況，控制系統可能會停止再生充電或減少電池組的功率消耗，使單個電池溫度恢復到安全的操作范圍;電池管理系統另一個重要的能量管理功能是確定充電狀態（SOC），以確保所有電池均勻放電，并防止它們低于總容量的閾值。

2? ? 電池管理系統的監測原理及具體實現單元

鋰離子電池需要在一定的溫度和工作電壓范圍內工作，才能發揮卓越性能和實現安全運行。如果超出此范圍，電池內部可能會發生不良的副作用，從而導致過度自發熱，甚至可能導致內部長時間短路。過度自發熱和內部短路是熱失控連鎖反應的第一步，最終會造成安全隱患。為了將電池組維持在安全的工作范圍內，電池監測專用集成電路會測量電壓、溫度和電流并將有關信息傳輸到電池控制單元。在電動汽車應用中，為了滿足交流電機負載的嚴苛要求，內部電池組電壓應不低于800 V，這相當于在汽車底盤中串聯堆疊100個或更多的鋰離子電池。因此，需要對高壓電池組應用更為先進的技術，從而以安全、及時和可靠的方式報告電池診斷信息。

一種常見的設計方法是采用分布式電池組系統，它通過在不同的印刷電路板（PCB）上連接多個高精度電池監控器，支持包含多節電池的電池組。此時電池管理系統就會極為復雜（圖1），即由許多分系統組成并時刻監測電池組狀態，其中電池和監測系統之間的連接或不同監測系統之間的通信連接可能會發生傳感器輸入開路或通信中斷故障。如果沒有必要的測量和通信，電池控制系統便會“失明”，再也無法管理電池組中電池的狀態。而檢測和解決障礙（如通信故障或電池傳感器連接故障等）以避免危險事件是功能安全的一部分。

由于電池監測子系統的應用有利于受損電池單元的“均衡電荷”，為實現這一目標，電池電壓和溫度感應位置需要連接到電池監測ASIC，以幫助識別電池電壓的下降或提高，從而允許系統確定電池是否過壓或欠壓。控制處理器會頻繁讀取測量信息，以計算電池的當前狀態，并幫助確保系統安全運行。對于高壓電池組，監測ASIC以堆疊配置形式排列，其中每個ASIC均測量多塊并聯的電池。命令和數據通過一個獨立的通信接口在ASIC之間傳輸，如圖2所示。

在圖2中，左側為電池管理或監測單元（BMU）板，其中包括主機MCU和BQ79600-Q1通信橋接器件。此BMU連接MCU和單節電池監測單元（CMU）上其他BQ796XX監測器件，而CMU與實物電池連接。這些CMU通過雙絞線菊花鏈電纜在每個電池監控器件的高側和低側互聯，也可使用環形電纜，在電纜斷開時向任一方向傳輸數據。另外，需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件，用來確保在高噪聲環境中的可靠通信，并承受嚴格的汽車電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）限制。

BQ79600-Q1是一款通信（網橋）IC，旨在連接微控制器（MCU）和電池監控IC（BQ7961X-Q1或BQ79606A-Q1）。該網橋芯片將來自MCU的信息轉換為信號，電池管理菊花鏈協議用于識別這種信號，并將其傳輸出來;同時，來自隔離式菊花鏈差分總線的信號被解碼為位流發送回MCU，如圖3所示。

使用環形架構時，如果檢測到了任何未屏蔽的故障，則BQ79600-Q1可以將處于關斷/睡眠模式的MCU和PMIC喚醒。

BQ7961X-Q1系列器件可以在200 μs內對最小6S、最大12S（BQ79612-Q1）的電池模塊執行高精度電池電壓測量。借助集成式前端濾波器，可以在電池輸入通道上使用簡單、低額定電壓的差分RC濾波器來實現系統功能。集成式后ADC低通濾波器可以執行經過濾波、類似于直流電的電壓測量，以便更好地計算荷電狀態（SOC）。此器件支持自主內部電池平衡，并通過監測溫度來自動暫停和恢復平衡，以免出現過熱條件。包含的隔離式雙向菊花鏈端口支持通過電容器和變壓器進行隔離，并允許使用最有效的組件實現xEV動力總成系統中常見的集中式或分布式架構。

菊花鏈差分總線的信號使用的是差分、雙向和半雙工接口，所以在高側和低側通信接口均有變送器（TX）和接收器（RX），默認情況下可從低側到高側傳送信息。這些TX和RX的功能由硬件根據器件的基站或堆棧檢測自動進行控制，數據在傳輸到每個模塊時會重新計時。BQ796XX器件的RX拓撲與RS-485類似，但增加了衰減高共模電壓（由車輛環境中典型的嘈雜情況產生）的設計機制。

3? ? 電池管理系統的冗余設計

如果電動汽車在行駛過程中，電池輸入引腳和PCB之間發生開路，則可能會導致電池監測系統功能喪失，進而引發危險事件。監測系統中的BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1系列電池監測ASIC包括環網通信特性以及針對此類故障具有容錯機制的冗余電池電壓測量路徑，使系統能夠繼續監測電池組的運行狀況和安全狀態。

電池監測系統冗余設計使用雙向環網配置（圖2）的BQ79616-Q1連接。在這種配置中，如果兩個電池監測ASIC之間存在故障、開路或短路，控制處理器將繼續與所有電池監測ASIC通信，并來回切換消息傳遞的方向。當正常通信出現故障時，系統可以借助環網通信的容錯機制來保持可用性，而不會丟失來自電池模塊的電壓和溫度信息。

BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1的另一個特性是使用電池平衡輸入引腳連接到電池的冗余模數轉換器（ADC）測量路徑。圖4展示了從電池到VC和CB輸入引腳的連接。正常情況下，CB引腳可在電池上提供直流負載，以平衡電池間的電壓。在正常測量操作期間，主VC ADC路徑和冗余CB ADC路徑都與電池連接，且均可以測量電池電壓。利用此特性，CB ADC路徑在出現故障（如PCB的VC引腳連接開路或RVC電阻器開路）時將繼續測量電池電壓。當正常電壓測量出現故障時，系統也可以借助冗余ADC路徑的容錯機制保持可用性，從而不會丟失來自電池模塊的電壓信息。

4? ? 結語

電池管理系統中的監測系統包含環網通信和冗余路徑特性，以及用于在電動汽車電池電壓和溫度感應期間檢測通信和連接故障的各種診斷安全機制，因此可實現汽車安全完整性等級（ASIL）D級的系統功能安全。

收稿日期：2021-11-17

作者簡介：成晟（1979—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：嵌入式開發、智能交通信息化。