电动汽车里面的智能配电方案设计

最近和几位朋友讨论在电池系统中电池管理系统和电气设计的趋势，我们都认为在技术方案演变过程中，主导权越来越倾向于垂直一体化的企业（车企开始做电池，电池企业开始做CTC一体化底盘和域控制器）。在大容量电池需要兼容400V和800V的情况下，出现了一种智能配电方案设计，对电池管理系统功能分解方案带来新的变化。

▲图1. 智能化方向发展的智能配电盒设计

智能配电设计这个智能配电方案设计，最早要追溯到欧洲的PHEV系统设计，如下所示：

▲图2. 独立的高压智能配电盒

随着电池管理系统(BMS)的主要功能，从基本的监测电芯电压、电池组电压和电池组电流，到监测各个电芯的电压和温度，逐渐开始存储传输到云端并进行大数据层面的分析，这让整个电池管理系统的方案设计都可以简化。
 
图1的示意图中可以看出，在传统的电池管理系统BMS架构中，电池管理系统是放在高压侧的，内部主控单片机MCU包含了全部的采样功能，包括高压侧电压采样、绝缘阻抗采样和电流采样，而电气配电盒（BJB）只包含高压接触器、保险丝（热熔）和电流传感器，这种方式从系统整体布局来看，高压采集线缆布局的困难较大，多个接触器的高压采样点最终都要连接到BMU上，且BJB需要通过线缆连接到隔离模数转换器ADC。
 
随着CTP的发展，系统设计需要考虑400V、800V兼容，并且由于快充的需求，整个电流范围也越来越高，并且需要导入Pyro-fuse的使用，如何减少BMS系统空间并简化整个线束布置，就成了设计的主要考虑方向。在图1右方的是电动汽车早几年开始流行的智能配电盒BJB，配电盒内部具有专用的电池组监控器，可以测量所有的电压和电流，并通过串行通信协议将信息传递给MCU。
 
这种智能BJB的主要优势是可以简化线束并优化布线就近设计，可以对高压侧电压和电流进行测量，同时整个软硬件也可进行简化，使用同系列器件完成单体电压采样和高压电流采样，两者的架构和寄存器也非常相似，并且可以同步电池组电压和电流测量，减低SOC测算难度。

▲图3. BJB内部高压及电流采样

图3是一个典型的参考设计，采用的TI BQ79631-Q1测量不同位置高压、电流和温度，其中对高压电压采样使用分压电阻实现，对分流电阻进行温度采样。在大电流快充持续时间越来越长的情况下，可以方便单片机MCU进行温度补偿；在电流采样更高功能安全等级的需求下，系统也可使用霍尔效应传感器，实现电流的隔离采样。

▲图4. 电池管理云端平台

云端电池管理系统中对于采集到的数据，不止可以在本地MCU进行分析，更重要的是从长期数据分析角度来看，单体电压、Pack电压和电流同步采样信息就变得非常关键——基于这些数据的深度分析，可以在后台对每个电芯和整个电池系统进行评估来判断电池的真正差异性，并通过计算电池阻抗来监测电池的长期特性。采样的特定时间间隔称为同步间隔，同步间隔越小，功率估算或阻抗估算越准确。从电池管理系统和云端分析角度来看，需要将电压和电流采样的延迟控制在1ms内，满足这项要求的主要难点在于：
 
1）所有电池监控器和电池组监控器都有不同的时钟源，采集信号过程本身就不同步。
 
2）在800V电池系统里面，串联的电池监控器数量大大提高，每个电池监控器可以测量6至18个电芯，每个电芯的数据长度为16位。大量数据需要通过菊花链通信接口传输，会消耗电压和电流同步所需的时间预算。
 
3）电压电流采样的滤波器均会影响信号延时，导致电压和电流同步延迟。
 
从这方面考虑，电池监控器芯片的选择就很重要，TI的BQ79616-Q1、BQ79614-Q1和BQ79612-Q1可以通过向电池监控器和电池组监控器发出ADC启动命令来保持时间同步，通过支持延迟ADC采样来补偿通过菊花链接口传输ADC启动命令引发的传播延迟。

▲图5. 高集成化的控制器涵盖了BMS的计算任务

小结：
 
随着电池管理的主要架构从BMS本身往三电域控制器甚至是整车域控制器转移，在电池管理系统里，需要简化整个系统设计来降低BMS复杂性，同时要提升系统安全性。简化设计之后，新方案可以提升电压和电流采样的精度，通过有效的电压电流同步技术，可以对电池运行状态、充电状态和电池阻抗进行精确计算。
 
参考文件：

Intelligent junction box withvoltage and current synchronization in EVs
Functional SafetyConsiderations in Battery Management for Vehicle Electrification