引言

电动汽车电池系统的安全注意事项涉及多个方面。其中,重要的传统电气安全注意事项旨在防止生产工人、车主、机械师和车辆回收人员暴露在高电压下或受到电击:机械方面的注意事项旨在防止电池被刺穿和受到撞击损坏,以及解决电池内的液体和气体可能会从电池中泄漏或排出的问题:考虑到锂离子电池只有在比ICE车辆温度更严苛的温度范围内才能最高效、安全地工作,电池组设计的注意事项也包含了热安全注意事项:此外,电气系统的功能安全注意事项可在车辆使用或充电时保持电池安全运行。

1电动汽车对电池管理系统的要求

锂离子电池因具有高电荷密度和低重量的特点而被证明是纯电动汽车最理想的动力来源。由于锂离子电池的尺寸很大,工作性质上非常不稳定,再加上都是由单体电池组合而成,在任何情况下想要监控其电压和电流工作情况都是非常困难的。为解决这一困难,就需要一个特殊的专用系统,即电池管理系统(BMS）。电池管理系统负责测量每个电池单元的电压,因为过压或欠压条件可能会导致电池的热故障:还负责测量电池组的温度,如果检测到过热情况,控制系统可能会停止再生充电或减少电池组的功率消耗,使单个电池温度恢复到安全的操作范围:电池管理系统另一个重要的能量管理功能是确定充电状态(SOC）,以确保所有电池均匀放电,并防止它们低于总容量的阈值。

2电池管理系统的监测原理及具体实现单元

锂离子电池需要在一定的温度和工作电压范围内工作,才能发挥卓越性能和实现安全运行。如果超出此范围,电池内部可能会发生不良的副作用,从而导致过度自发热,甚至可能导致内部长时间短路。过度自发热和内部短路是热失控连锁反应的第一步,最终会造成安全隐患。为了将电池组维持在安全的工作范围内,电池监测专用集成电路会测量电压、温度和电流并将有关信息传输到电池控制单元。在电动汽车应用中,为了满足交流电机负载的严苛要求,内部电池组电压应不低于800V,这相当于在汽车底盘中串联堆叠100个或更多的锂离子电池。因此,需要对高压电池组应用更为先进的技术,从而以安全、及时和可靠的方式报告电池诊断信息。

一种常见的设计方法是采用分布式电池组系统,它通过在不同的印刷电路板(PCB）上连接多个高精度电池监控器,支持包含多节电池的电池组。此时电池管理系统就会极为复杂(图1）,即由许多分系统组成并时刻监测电池组状态,其中电池和监测系统之间的连接或不同监测系统之间的通信连接可能会发生传感器输入开路或通信中断故障。如果没有必要的测量和通信,电池控制系统便会"失明",再也无法管理电池组中电池的状态。而检测和解决障碍(如通信故障或电池传感器连接故障等）以避免危险事件是功能安全的一部分。

图1电动汽车电池组及监测系统

由于电池监测子系统的应用有利于受损电池单元的"均衡电荷",为实现这一目标,电池电压和温度感应位置需要连接到电池监测ASIC,以帮助识别电池电压的下降或提高,从而允许系统确定电池是否过压或欠压。控制处理器会频繁读取测量信息,以计算电池的当前状态,并帮助确保系统安全运行。对于高压电池组,监测ASIC以堆叠配置形式排列,其中每个ASIC均测量多块并联的电池。命令和数据通过一个独立的通信接口在ASIC之间传输,如图2所示。

在图2中,左侧为电池管理或监测单元(BMU）板,其中包括主机MCU和B079600-01通信桥接器件。此BMU连接MCU和单节电池监测单元(CMU）上其他B0796XX监测器件,而CMU与实物电池连接。这些CMU通过双绞线菊花链电缆在每个电池监控器件的高侧和低侧互联,也可使用环形电缆,在电缆断开时向任一方向传输数据。另外,需要在菊花链电缆的任一端添加隔离元件,用来确保在高噪声环境中的可靠通信,并承受严格的汽车电磁干扰(EMI）和电磁兼容性(EMC）限制。

B079600-01是一款通信(网桥）IC,旨在连接微控制器(MCU）和电池监控IC(B07961X-01或B079606A-01）。该网桥芯片将来自MCU的信息转换为信号,电池管理菊花链协议用于识别这种信号,并将其传输出来:同时,来自隔离式菊花链差分总线的信号被解码为位流发送回MCU,如图3所示。

图2具备自动唤醒功能的电池监测系统

图3菊花链差分总线信息字节按位传输的示例

使用环形架构时,如果检测到了任何未屏蔽的故障,则B079600-01可以将处于关断/睡眠模式的MCU和PMIC唤醒。

B07961X-01系列器件可以在200μS内对最小6S、最大12S(B079612-01）的电池模块执行高精度电池电压测量。借助集成式前端滤波器,可以在电池输入通道上使用简单、低额定电压的差分RC滤波器来实现系统功能。集成式后ADC低通滤波器可以执行经过滤波、类似于直流电的电压测量,以便更好地计算荷电状态(S0C）。此器件支持自主内部电池平衡,并通过监测温度来自动暂停和恢复平衡,以免出现过热条件。包含的隔离式双向菊花链端口支持通过电容器和变压器进行隔离,并允许使用最有效的组件实现XEV动力总成系统中常见的集中式或分布式架构。

菊花链差分总线的信号使用的是差分、双向和半双工接口,所以在高侧和低侧通信接口均有变送器(TX）和接收器(RX）,默认情况下可从低侧到高侧传送信息。这些TX和RX的功能由硬件根据器件的基站或堆栈检测自动进行控制,数据在传输到每个模块时会重新计时。B0796XX器件的RX拓扑与RS一485类似,但增加了衰减高共模电压(由车辆环境中典型的嘈杂情况产生）的设计机制。

3电池管理系统的冗余设计

如果电动汽车在行驶过程中,电池输入引脚和PCB之间发生开路,则可能会导致电池监测系统功能丧失,进而引发危险事件。监测系统中的B079606A一01和B079616一01系列电池监测AS1C包括环网通信特性以及针对此类故障具有容错机制的冗余电池电压测量路径,使系统能够继续监测电池组的运行状况和安全状态。

电池监测系统冗余设计使用双向环网配置(图2）的B079616一01连接。在这种配置中,如果两个电池监测AS1C之间存在故障、开路或短路,控制处理器将继续与所有电池监测AS1C通信,并来回切换消息传递的方向。当正常通信出现故障时,系统可以借助环网通信的容错机制来保持可用性,而不会丢失来自电池模块的电压和温度信息。

B079606A一01和B079616一01的另一个特性是使用电池平衡输入引脚连接到电池的冗余模数转换器(ADC）测量路径。图4展示了从电池到VC和CB输入引脚的连接。正常情况下,CB引脚可在电池上提供直流负载,以平衡电池间的电压。在正常测量操作期间,主VCADC路径和冗余CBADC路径都与电池连接,且均可以测量电池电压。利用此特性,CBADC路径在出现故障(如PCB的VC引脚连接开路或RVC电阻器开路）时将继续测量电池电压。当正常电压测量出现故障时,系统也可以借助冗余ADC路径的容错机制保持可用性,从而不会丢失来自电池模块的电压信息。

图4冗余模数转换器（ADC）测量路径

4结语

电池管理系统中的监测系统包含环网通信和冗余路径特性,以及用于在电动汽车电池电压和温度感应期间检测通信和连接故障的各种诊断安全机制,因此可实现汽车安全完整性等级(AS11）D级的系统功能安全。