電動汽車電池管理系統(tǒng)常用BMS拓撲結(jié)構(gòu)

純電動汽車的動力輸出依靠電池，而電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System)則是其中的核心，負責控制電池的充電和放電以及實現(xiàn)電池狀態(tài)估算等功能。

國外公司BMS做的比較好的有聯(lián)電、大陸、德爾福、AVL和FEV等等，現(xiàn)在基本上都是按照AUTOSAR架構(gòu)以及ISO26262功能安全的要求來做，軟件功能更多，可靠性和精度也較高。

國內(nèi)很多主機廠也都有自主開發(fā)的BMS產(chǎn)品并應用，前期在功能和性能上與國外一流公司相差甚遠，但隨著國內(nèi)電池和BMS技術(shù)的快速發(fā)展差距正在逐步縮小，希望不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)成功追趕甚至超越。

電動汽車電池管理系統(tǒng)

電動汽車的電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動汽車中用于監(jiān)測和管理電池系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組件，它有助于平衡電池電量，防止過度充電和過度放電，從而確保鋰離子電池的安全、可靠和有效運行，同時優(yōu)化電池的整體效率和壽命。

電動汽車BMS分為兩類，即低壓(LV)和高壓(HV)。低壓電池管理系統(tǒng)(LVBMS)主要用于≤30VAC和≤60VDC的兩輪和三輪電動車輛中。高壓電池管理系統(tǒng)(HVBMS)則是針對≤600VAC和≤900VDC或者≤1,000VAC和≤1,500 VDC的四輪電動汽車(EV)的電池監(jiān)測需求而設計，尤其是在快速充電過程中，在確保電池的健康和安全方面起著至關(guān)重要的作用。通過主動監(jiān)測和評估電動汽車電池的SOC(充電狀態(tài))、SOH(健康狀態(tài))和溫度狀態(tài)(SOT)，HVBMS可有效防止電池出現(xiàn)熱失控，并極大限度地提高效率和性能。

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電動汽車四個常用BMS拓撲結(jié)構(gòu)

汽車BMS必須具有電壓、溫度、電流、電池充電狀態(tài)監(jiān)測以及鋰離子電池的電量平衡等關(guān)鍵功能。按照體系結(jié)構(gòu)劃分，市場上常用的電動汽車BMS主要有以下四種類型：

BMS的主要類型

集中式BMS

單個控制器管理所有電池單元和模塊。雖然這種設計簡化了管理，但它可能會限制更大電池系統(tǒng)的可擴展性，并有引入單點故障的可能性。

分布式BMS

多個控制器跨特定模塊或電池組運行，這種可擴展的設計通過內(nèi)置冗余增強了系統(tǒng)的可靠性，對需要單獨監(jiān)控的大型電池非常有效。

模塊化BMS

系統(tǒng)中的每個單元都是獨立的，都能夠自主操作。這種可擴展的配置非常有助于電池尺寸的靈活變化，設計者可根據(jù)需要輕松添加或移除部分BMS模塊。

混合式BMS

將集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，混合式BMS采用中央控制器進行全面管理，同時采用模塊化的本地控制器進行詳細的電池監(jiān)測和控制，這種結(jié)構(gòu)可提供全面的系統(tǒng)管理和細粒度控制功能。

特斯拉Model S采用的是集中式BMS拓撲結(jié)構(gòu)，并帶有一個處理電池數(shù)據(jù)的控制器，這種模式確保了高效的充電和放電循環(huán)以及極大的行駛里程和電池的完整性。特斯拉的Model 3和Model Y電動汽車同樣采用了先進的BMS設計來優(yōu)化電池組性能。而Model Y電動汽車因包含一個帶有4680電芯的結(jié)構(gòu)化電池包，意味著它正在向更集成的CTB(電池到車身)目標過渡。

日產(chǎn)汽車的Leaf采用分布式BMS拓撲結(jié)構(gòu)，每個電池模塊由單獨的控制器管理。與集中式BMS相比，這種設置通過在模塊級別提供精確的管理，提高了整個系統(tǒng)的效率和安全性。

寶馬i3采用的是模塊化BMS架構(gòu)，電池組被分為不同的模塊，每個模塊都有自己的BMS，這些單獨的模塊可以獨立維修。

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快速增長的BMS芯片需求量

汽車電動化正在全球主要市場加速發(fā)展。用于車載充電器、逆變器和直流-直流轉(zhuǎn)換器的硅(Si)和碳化硅(SiC)器件在電動汽車的運行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并在汽車的半導體價值中占很大比例。逆變器等大功率電子元件在制造電動汽車的價值中占據(jù)了相當大的份額。但IDTechEx在“2023-2033年自動駕駛和電動汽車用半導體”報告中將視角深入到了單個芯片和晶圓的層面，他們從中發(fā)現(xiàn)，BMS正在成為當下電動汽車中半導體元器件需求量的主要貢獻者。

在電池管理系統(tǒng)中，有兩種主要類型的芯片，一種是做出重大決策的主控制器，另一種就是負責電池組中電池監(jiān)測和平衡的芯片(BMB IC)。這些BMB IC從電池組的傳感器中收集信息，并將信息發(fā)送到主控制器，然后由主控制器發(fā)出采取行動的指令，比如在電池過熱時打開冷卻器。通常，每個BMB IC可監(jiān)測10-20個電芯，一輛電動汽車的電池組往往由數(shù)千個電芯組成，因此，整個電池組中將包含數(shù)量可觀的BMB IC。

為此，IDTechEx在其研究報告中指出，電池管理系統(tǒng)現(xiàn)在能占到電動汽車電力系統(tǒng)中硅需求量的約三分之一。這一點同樣可從Mordor Intelligence的分析報告中得到印證。Mordor Intelligence認為，電動汽車電池管理系統(tǒng)市場規(guī)模預計將從2023年的88.1億美元快速增長到2028年的377.1億美元，2023年-2028年的復合年增長率預期高達33.76%。

另據(jù)Yole Intelligence的分析和預測，2028年，全球乘用車和輕型商用車市場將達到9,300萬輛，其中xEV的市場份額為53.5%。2022年至2028年，純電動汽車的復合年增長率達到22.1%。伴隨著這一巨大增長，包括純電動汽車和PHEV在內(nèi)的電動汽車BMS實現(xiàn)了快速擴張，BMS的市場總額將從2022年的50億美元增至2028年的119億美元，復合年增長率為15.6%。增長預期雖然沒有Mordor Intelligence預測的那么高，但同樣雙位數(shù)的增長讓人們對這一市場充滿了期待。

具體細分到BMS的關(guān)鍵組件，AFE(模擬前端)市場將從2022年的9.3億美元增長到2028年的22.4億美元，微控制器市場將從2020年的5.8億美元增長到2028的13.4億美元，各種傳感器包括溫度、電流、壓力、加速度等市場將由2022年的14.6億美元增長至2028年的35億美元。

目前，電動汽車電池管理系統(tǒng)市場的參與者眾多，主要由Renesas、NXP、Infineon、Keihin、TE Connectivity、ADI等幾家關(guān)鍵公司主導。

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如何打造高效優(yōu)質(zhì)的BMS方案?

為了確保電動汽車中整個電池系統(tǒng)在使用壽命內(nèi)的安全性和高性能，選擇正確的BMS組件至關(guān)重要。它可以極大限度地提高鋰離子電池的續(xù)航里程和使用壽命，使得汽車制造商在激烈的市場競爭中脫穎而出。

在實際應用中，我們很難說哪一款HVBMS架構(gòu)或參考設計能夠適合所有應用，滿足所有汽車制造商的需求。不過，在方案選擇過程中有一點應作為重點來考慮，那就是任何參考設計都必須足夠靈活，以適應所有可能的未來架構(gòu)。比如，需要解決從400V到1,000+V的不同系統(tǒng)電壓，以及即將推出的用于可切換800V充電和400V驅(qū)動的2 x 400V混合動力配置等。

BMS由電池管理單元(BMU)、電池監(jiān)測單元(CMU)和電池接線盒(BJB)3個模塊組成，如何在作為系統(tǒng)大腦的BMU、CMU和BJB子系統(tǒng)之間建立BMS內(nèi)部通信也需要設計人員在選擇方案時做出仔細評估。

NXP的可擴展高壓電池管理系統(tǒng)(HVBMS)參考設計，包含了BMU、CMU和BJB全部三個模塊。

BMU

其中，BMU采用符合ASIL D安全標準的 S32K3微控制器(MCU)系列。BMU中的MCU和其他組件由FS26 SBC供電，以實現(xiàn)系統(tǒng)級的強大電源管理。RD-K344 BMU開發(fā)板包含了S32K344、FS26、MC33665A、HB2000、TJA1145A、PCA2131、NBP8和MC40XS6500等多個NXP的器件，有助于HVBMS硬件和軟件的快速成型;對于電池內(nèi)部通信，該參考設計提供了兩種可能的架構(gòu)：隔離電氣傳輸協(xié)議鏈路(ETPL)或CAN/CAN FD。

CMU

CMU的參考設計板中具有四個新ASIL D兼容電池控制器(BCC)，可共同監(jiān)測和平衡多達56個電池。因使用了電容耦合來隔離板載通信，故多個板可通過菊花鏈連接，以將電池單元數(shù)擴展到高達800V的系統(tǒng)，具有極強的可擴展性。RD33775ACNTEVB是具有ETPL通信的集中式CMU參考設計，該評估板還包含以菊花鏈形式連接的4個MC33775A模擬前端(AFE)。