下一代电池管理系统架构
日期：2022-08-14
新技术在最大化电动汽车续航里程方面取得了重大进展，但充电速度仍然令人担忧
作者：Konrad Lorentz，电池管理系统产品经理，以及Emiliano Mediavilla Pons，汽车首席功能安全架构师，恩智浦半导体
直流快速充电器需要30到45分钟才能将电池充电到80%。这种快速充电过程会产生大量热量，因为高电流的内阻会产生温升。因此，对于典型的400 V电动汽车蓄电池，充电速率受到几个因素的限制，如充电电缆的横截面积或蓄电池单体的温度。一些直流快速充电站对电缆进行液体冷却，以管理其因I²R功率损失而引起的温升。因此，增加电压以提高输送的功率而不是电流似乎是合理的。
保时捷的Taycan EV是一款由大型汽车制造商生产的系统电压为800V而不是通常的400V的汽车。一个350千瓦的3级超快充电站可以在短短15分钟内实现80%的充电。然而，800 V电动汽车的设计需要对所有电气系统进行新的考虑，明确与电池管理系统相关。
高电压的后果
更多连接器触点和更高规格当车辆关闭和打开时，主连接器对蓄电池和牵引逆变器进行电气隔离和重新连接。独立连接器连接和断开蓄电池与直流链路和充电器总线的连接。额外的直流充电连接器用于直流快速充电，以建立直流充电站和蓄电池之间的连接。乘客舱电加热器和蓄电池加热器也有辅助连接器，以优化寒冷天气条件下的效率。
转向更高电压的问题之一是更大的破坏电弧的可能性。在800 V架构下，与传统的400 V架构相比，需要更严格的隔离要求，从而增加了解决方案成本。
图1：400 V框图
连接器爬电和间隙距离
在更高的电压水平下，连接器引脚之间需要更大的爬电和间隙距离，以确保没有电弧风险。各种连接器制造商已经克服了这些问题，尽管它们的价格高于400 V连接器，影响了总成本。
传动系部件
牵引逆变器模块中部件的额定值取决于最大蓄电池电压。如果将最大电池电压提高到800 V，则适当额定值的组件的可用性将大大降低，大部分以高价提供。对于400 V电池，这些组件有多种选择，使牵引逆变器模块的价格具有竞争力。不同的电池结构有其固有的优点和缺点。这一挑战的解决方案之一是使用两个独立的400 V电池。它们可以在充电时串联（总共800 V），大大缩短充电时间，在行驶时并联（400 V）。这使得牵引逆变器模块的成本较低，并允许在不同车型中重复使用。
增加了复杂性和功能安全性
将电池电压从400 V增加到800 V，不可避免地需要使用更多的电池传感设备或电池控制器（BCC）。由于及时失效（FIT）概率增加，更多设备会导致功能安全挑战。然而，ISO 26262:2018标准推荐的BMS解决方案的最大偏差参数（maximum residual）FIT没有改变。BCC只接受总允许系统FIT的特定预算，而不能大幅增加。如果FIT预算增加，将影响系统其余部分的预算，将问题从一个地方转移到另一个地方，从而在其他领域带来更多挑战。
从400 V切换到800 V充电
克服上述大多数挑战的一个概念是一种可切换的架构，该架构将电池的充电电压从原来的400 V更改为800 V。电池组由两个400 V电池组成；它们在日常使用中并联连接，以允许使用标准的高容量400 V传动系组件，如逆变器和车载充电器。容量和范围不受影响。充电期间，BMS将两个电池切换为串联配置，将电压升高到800 V，降低电流，并加快充电时间。NXP已准备好支持OEM开发这些可切换架构。
通用硬件和软件支持可扩展性
S32K3xx BMS处理器NXP S32K3xx系列控制器支持400 V和800 V架构以及新的可切换架构。该系列中的器件共享公共外围器件和引脚，允许开发人员在芯片系列内或S32K产品组合中的其他处理器之间轻松迁移，以利用更多内存或功能集成，最大限度地实现硬件和软件重用，并缩短上市时间。
MC33665 BMS网关
设计师可以使用NXP S32K3xx BMS处理器和MC33665 BMS收发器/网关IC来创建更灵活高效的架构。与目前使用的专有电气传输协议链路（ETPL）通信解决方案相比，该器件还允许电池内到CAN-FD的通信标准化。通过对CAN-FD进行标准化，OEM拥有一个通用电池管理单元（BMU），而不是多个自定义BMU，从而减少了新电池型号的成本和上市时间。MC33665充当收发器和网关。该器件安装在BMU上，将与电池接线盒（BJB）和电池监测单元（CMU）的通信捆绑在一起。由于有四条ETPL线路，该器件可以建立多个菊花链来连接多个CMU板，并处理所有通信和消息路由，从而减少MCU上的计算能力负载。该功能简化了在其各自功能模块中执行的电池组电流和电池组电压测量的同步，然后计算电池和电池组的阻抗。此外，具有环回能力提高了电池解决方案内通信电路的鲁棒性。
此软件定义的解决方案将应用层软件与物理模块或无模组设计（cell-to-pack）配置断开连接。NXP MC3377X系列的可扩展电池单元控制器（BCC）产品组合可满足不同的模块单元数，从6个单元到18个单元不等。这种灵活性满足了汽车行业内不同的市场需求。
NXP开发了新器件，降低了FIT概率，以克服功能安全挑战。通过实施新的功能安全概念、检测方法和安全架构，将故障模式的诊断覆盖率提高，从而将剩余适合度大幅降低到可接受的水平，以支持更高的电压解决方案。
两全其美
2x40 V/800 V可切换电池架构为原始设备制造商提供了两全其美的功能——远程和超快充电，无需额外的传动系组件成本。它还使原始设备制造商能够通过提供400 V或800 V的型号并受益于规模经济，为其品牌增加灵活性。
作为一家一级供应商的完整系统供应商，NXP提供了一个可扩展的完整芯片组解决方案，支持BMS功能，无论选择何种架构。NXP提供了一种全面的高压BMS（HVBMS）参考设计，遵循ISO 26262:2018汽车功能安全标准的完整V型，帮助开发人员克服了新架构提案带来的一些挑战。
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