电动汽车电池管理系统设计的三大考虑事项

Intersil公司 Gary MacDonald 2015-09-23

电池组体系结构

首先，我们将考察典型的电动汽车电池组架构。用于电动汽车动力传动系统的高压电池组通常包含许多独立电池单元（cell），这些电池单元配置或“堆积”成组块（block），构成电池。这些组块以各种串联和并联组合方式相互连接，以达到所要求的终端电压和电能额定值。堆叠中的每个电池单元组块由一个电池控制模块进行管理，电池控制模块通常包含一个电池管理IC，用以提供电池单元控制、监测和平衡功能。这些模块互连为菊链，并使用互连通信线缆连接至汽车控制系统（见图1）。

这些线缆支持电池控制模块间的通信，以保证电池的最佳及安全运行，但它们容易受到一般电气开关瞬态事件的影响。其中包括（但不限于逆变器和电池充电器开关噪声）外部产生的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）和其他电气扰动。同样，在集中式电池管理系统（其中，所有控制电子部件都集中在一块PCB之上）中，各个BMS IC使用铜道（copper track）进行通信。位置固定的PCB铜道通常更容易控制，且通信距离可以降至最短；但PCB仍然需要精心的设计、铜道走线安排以及元件布置和选择。

图1 多个BMS模块可互连成菊链并连接至汽车控制系统

模块间通信

模块间通信（或称“菊链连接”）的方法是一个重要设计考虑事项，特别是对电池管理IC的选择。电池管理IC必须支持须满足严格的安全、监管和通信完整性标准的相关通信协议，并适应极其恶劣的发动机罩下环境——在此环境中，电池管理系统模块面临严重瞬态事件和压力，有可能造成通信中断。

模块间通信可使用多种汽车标准拓扑和协议（如SPI或CAN）实现。无论采用什么拓扑，全都需要“热”高压域和“冷”低压（汽车－底盘－电压）域之间某种形式的DC电气隔离。该隔离可使用数字技术实现；但数字隔离器需要一个补充电源且可能相对昂贵。

许多厂商使用专为电动汽车设计的专有通信协议所开发出来的解决方案，是经济有效的替代方案。DC隔离是通过使用电容、变压器或二者的组合来实现。有两种基本技术可用于实现专有通信方案：电压模式和电流模式。电压模式使用低阻抗发射器和高阻抗接收器，具有良好的抗瞬变能力，但容易受到EMI/EMC的影响。另一方面，电流模式使用高阻抗发射器和低阻抗接收器，其抗瞬变能力比不上电压模式，但具有良好的EMI/EMC抗扰性。

抗瞬变能力至关重要。即使在电池组装和测试阶段也有严重的瞬态事件和压力需要考虑，因为它们可能导致通信中断，甚至造成未进行优化或适当保护的PCB零件的损坏。组装和测试瞬态事件通常由“热插拔”（亦即当电池单元串或通信线缆连接至电池管理模块或模块间通信线缆插接到一起时）造成。在此阶段可能出现很高的能量水平，且电池单元连接顺序可能是随机的和高度不可预测的。因此，所连接的电路必须能够应对这一瞬态事件和压力，且系统设计应当包含合适的外保护元件。

可用于电动汽车的电池管理IC很多。例如，Intersil的ISL78600电池管理IC包含一种由对称、双线、双向、异步菊链组成的专有通信协议。通过使用电容性源及负载特征，ISL78600结合了电压模式和电流模式方案的最佳优势，提供最佳的抗瞬变能力和EMI/EMC抗扰性。低成本电容性耦合可提供电气隔离，且在分散式系统中，连接线可以是简单的非屏蔽双绞线（UTP）。最多可用14个电池管理模块一起构成菊链，以实现最多包含168个电池单元的电池系统。

ISL78600证明了专为提供EMC/EMI和热插拔抗扰性，以及应对纯电动汽车（EV）、插电式混合电动汽车（PHEV）和混合动力汽车（HEV）中的其他高速高能瞬态事件而设计的专有通信方案的好处。它只需要用于模块间通信的低成本双绞线，以及最少的外围元件。它适用于需要最高水平通信完整性（由ASIL标准委员会规定）的场合，并提高了系统设计工程师满足相关ISO26262功能安全要求的能力。久经考验的ISL78600可满足和超出最严格的热插拔和EMI要求，包括由整车厂规定的严格EMC评价标准。EMC标准侧重于关于CAN收发器以及汽车应用中的LIN、CAN和FlexRay接口的扩展硬件要求。

PCB布局和配置考虑事项

为了减轻热插拔瞬态事件的潜在影响，设计电动汽车电池管理系统时需要考虑PCB布局、关键零件布置和合适的保护（见图2）。电池管理IC是精密零件，使用标准精密夹持和组装技术可以避免许多潜在问题。

精心的铜道走线安排可减小由瞬态事件引起的流过PCB的循环电流，使电池管理IC等灵敏零件位置远离瞬态事件的潜在路径也有助于减轻其潜在影响。建议在设计中使用高质量多层PCB，其中至少有一层专门用作连续接地平面。使电池接口连接器相互邻近和缩短铜道走线距离，可以最大限度地减小电池连接器紧邻位置的循环电流（由热插拔事件造成）。

另外，齐纳二极管保护器件的使用（特别是在通信接口上）可以简单、经济和高效地遏制通信接口线缆中的+Ve和-Ve瞬态事件。这些保护器件在PCB上的位置应当邻近线缆终点。