德州儀器新能源BMS解決方案.doc

德州儀器新能源 BMS解決方案地點：上海新國際博覽中心 N4-M46 演講嘉賓：TI(德州儀器)資深業(yè)務發(fā)展經理 陳放時間：2012-10-30 13:50:00 至 2012-10-30 14:35:00 大家下午好，我來自德州儀器半導體技術有限公司，我目前負責TI SEMI BMS中國區(qū)的拓展。我今天想分享的是我們TI在新能源汽車方面的BMS的解決方案。首先介紹一下TI整個BMS的產品線的狀況，大家現在看到的這幅圖上面，我們是整個TI的BMS的我們叫做BU，這個BU下面一共是分為五條產品線。當我們五條產品線覆蓋的范圍是從單串的鋰電池，比如說一些消費類的電子產品一直到市場，我們覆蓋到電動自行車，電動工具，最高串數是到現在的純電動汽車以及混合電動汽車上面的，這一系列我們都稱之為BMS。今天我的PPT里面主要講的是高功率的這一塊的BMS。首先跟大家介紹的是我們在工業(yè)上面，主要是涉及到電動自行車以及電動工具。還有就是目前比較新興的48伏的USP市場，鋰電池這個行業(yè)是一個新興的行業(yè)，所以有很多的鋰電池的應用的產生和出現。同時也是由于原來鉛酸電池市場的收縮，讓越來越多的鋰電池會替代鉛酸電池，在原來的有越來越多的鋰電池的應用。我們知道歐美是全面禁止電池的出口，全部已經改改換成鋰電池。對于電動自行車，目前也是國家有很多的標準，比如說對于電動自行車的重量以及它的行駛速度有一些規(guī)定，這些整個是在行業(yè)上面在刺激鋰電池自行車的應用。除此之外還有目前的UPS市場，中國移動、聯通很多這些機站上面在原來的鉛酸電池應用領域上面也開始在廣泛的使用鋰電池。這個圖是我們目前在整個工業(yè)領域上面BMS的一個解決方案的產品介紹。目前黑色部分都是我們已經量產的產品，藍色部分是今年我們在第四季度即將向全球推廣。現在可以給大家看到我們目前最多是做到十串，在這個行業(yè)基本上不是叫BMS了，我們是叫做保護板，鋰電池的保護板。因為在這個行業(yè)主要現在是36伏、48伏以下的這種電池。所以它的對鋰電池的管理的主要的功能和目的主要是體現在保護上面。大家可以看到我們現在有三種，一個是900，一個是910A，還有一個是908A，分別可以做到10串和8串，這三顆我們叫做獨立的保護芯片，這一顆芯片就可以做到對整個鋰電池包的電壓、電流以及溫度的監(jiān)控和保護。我們另外一系列的我們稱之為AFE，翻譯過來叫模擬前端，這一類是做一個電池的電壓，溫度還有電流的采集。后端的保護的功能是需要MCU再去進行設計。我們還有第三類的叫做BQindy。這塊我們今年推出了34Z100，目前在行業(yè)內我們坐到最高電壓，就是我們能支持60伏的電池包整個容量的計算。其他的可以看到，在獨立芯片保護方案里面我們接下來會有一些更低端的，以及低串數的保護芯片推出。在前端AFE這一塊我們會有更多高串數的產品即將會推出。最高的串數，我們會定位是在16串。前面的這幾顆920、930、940、950，有一顆做搭配的叫78350，這一顆是MCU，寫入了阻抗追蹤算法，這樣搭配可以實現整個16串電池包的容量計算。剛才有提到就是說我們獨立芯片的第一串數的四串和五串的解決方案，雖然單線只是做到4到5串，但是我們計劃是要讓它進行芯片間的疊加，可以直接最大做到20串，這樣就比較符合工業(yè)級里面低成本的保護板的方案的要求。大家可以看到，這是我們77908A和77910A的芯片，大家可以看到它的外圍電路非常簡單，大家只是需要把前面的這個8串或者10串的電池接到芯片里，外接一些摩斯管，這個保護板的設計就完成了。這個是我們的BQ76925，從一直到最高的16串的架構，都跟這個比較類似。他們通過SPA之間的連接，由MCU對模擬前端進行控制，再由模擬前端在前方取回電池的電壓、電流以及溫度的這些參數，給到后端的MCU進行計算，從而進行這個保護以及后端容量計算的功能的實現。接下來跟大家介紹一下，我們TI在汽車這塊的產品。在提到TI的BMS，不得不提我們目前和TI和國半合并。在去年的9月26號，TI是正式并了美國國家半導體公司。合并之后，這兩個團隊合二為一，接下來介紹我們TI加上之前的國半的所有的汽車BMS產品。這幅圖跟大家介紹一下目前TI和整個國半在汽車電子上面我們可以做到一些什么東西。比如說在一些汽車級的驅動、還有一些Audio以及PTMS這塊都有相應的產品，還有一些汽車的Ligting，我們BMS只是其中之一。TI的BMS跟剛才介紹的保護板的方案有一些區(qū)別。汽車的BMS是一個比較復雜的系統(tǒng)，所以TI的定位，首先我們還是一家IC的供應商，但是我們并不僅僅局限于這一點，因為要提供一個完整的方案，我們必須要給客戶提供非常完整的資料。所以我們在汽車BMS這塊提供的不僅僅只是一顆芯片，而是提供了一個完整的解決方案。也可以簡單的講就是一個很完整而且經過非常多的實際驗證過的參考設計。我們目前的汽車BMS的精度目前是業(yè)界最高的，我們可以做到正負一毫伏。還有我們新出的所有的芯片都會去滿足ISO26262的標準，這個標準我們一般叫做ASIL，全稱叫做汽車安全完整性等級，這個大概在三年前由歐美的汽車廠開始在整個汽車電子業(yè)界開始主推。我們現在的產品，TI現在接下來會有兩款方案，將會直接去滿足ASIL最高級別的D，ASIL分成四個級別ABCD，我們將會去完成D的標準。值得一提在ASIL的標準委員會里面，有兩位是來自IC業(yè)界的專家，這兩位IC專家都來自我們TI，一個是來自我們MCU的團隊，一個是來自我們的BMS團隊。既然今天是跟大家介紹我們的BMS產品，不可能就避過要說到電池，BMS一定是跟電池相關的。在這里我們可以討論一下目前在純電動汽車以及混合動力汽車上面對于電池組的一些什么要求。我想最關鍵的首先就是安全。不論我們在歐洲、美國、日本、中國的車廠，我們跟所有的車廠在討論BMS以及新能源汽車問題的時候大家無一例外首先要討論的都是安全。這個產品這個電池這個BMS在安全性能上到底能做到一些什么，這個是大家必須首先要考慮到的。其次就是它的一些功率，一些循環(huán)壽命，以及他的充電的速度，這些東西都是對整個電池組提出來的要求。其實我們可以看到，這里面很多都是跟BMS相關的。剛才我們討論的是對整個電池組的要求，細化下來對于我們BMS的要求是什么？首先第一就是說，我們需要實現均衡的要求。當我們知道，一輛純電動汽車目前我們看到一般是96串，甚至到108串?；旌蟿恿赡軙鸵稽c到48串也有。但是這些都是一個非常多的電心進行的串聯，對于每節(jié)之間均衡的要求就提出來。因為我們看到電心這個供應商所生產出來的電心的一致性的確并不是達到一個讓人滿意的程度。所以這一點上對于BMS提出一個要求，但一組電心再循環(huán)幾十次一百次以后，由于它的不一致性導致整組電心的容量這些不一致，那怎么樣由BMS來對他進行補償？另外一個就是他的壽命和放電深度，還有一個就是他的熱管比。我們知道看一下鋰電池的一些溫度放電曲線我們可以看到，單節(jié)的鋰電心，如果環(huán)境工作溫度上升10度，我們看到的就是他的循環(huán)壽命可以減少1/3大概。所以在他整個環(huán)境以及工作溫度的管理也是必不可少的。所以這個功能在BMS上面也是必須加入的。另外一塊就是他的質量擔保。我們應該大家也都看到其實在國際上，還有國內經?？赡苡袝r候會聽到說，新能源汽車的起火，還有一些電動自行車也在起火，這塊都是安全性以及后續(xù)質量擔保的問題需要大家繼續(xù)去探討。另外一塊，這個地方主要是對我們芯片提出來的要求。剛才提到就是說，首先是要有安全性，可是一個電池包高達300多伏，可能純電動的大巴上面高達500多伏，在這樣一個高壓的系統(tǒng)上面，產生的是100多串的電池的串聯，要去管理這些100多串的電池對于IC來說就是高壓上的一個挑戰(zhàn)。我們TI和國半最高的IC耐壓制成，現在目前可以看到有120、130伏，可是對于500多伏的一個電池包，可能瞬間峰值電壓還會更高，我們怎么樣用我們在現有的120伏的耐壓的IC工藝上面形成一個能夠抵抗這么高電壓的BMS系統(tǒng)，對于我們IC公司提出一個很大的挑戰(zhàn)。另外一個就是電心和我們的芯片之間的連接以及集聯，還有縱向通訊以及干擾。目前現在很多的BMS他們大家都知道，如果能夠在新能源汽車上實現的話，在成本上的降低會是一個很大的進步。這幅圖是我們目前整個TI汽車BMS的產品架構。綠色的三個部分我們已經在去年已經開始量產，而且在全球已經開始出貨。其中有三款，PL536是被動性的BMS芯片，我們另外有兩款，一個是EM1454，一個是EM1451，我們都是對應最多到14串的BMS解決方案，但是他們的解決不同是1454是做到被動均衡，1451我們是做到主動的均衡。我們今年還會有一些新產品的推出，最受目前很多客戶很關注的就是目前會推出一款高達16通道的被動均衡，我們就要做PL455，這個芯片會在今年年底會進行發(fā)布。接下來跟大家詳細的介紹一下剛才我提到的這四款產品。首先536A，這一顆現在是滿足ASIL D的級別，而且也是正負1Mv，我們采用的是SPI的通訊。剛才我們有提到芯片和芯片之間可以通訊，但是我們最多是可以做到32片的536的結聯，最多是可以有192節(jié)的電心。這幅圖是我們536的架構圖也是我們的方案圖，大家可以看到536這中間是不需要隔離的，通過菊花鏈的方式進行集聯。最頂端的536就可以通過我們TI的MCU，然后進行通訊，然后再把他的這些訊息再傳到主控單元。這顆就是一個比較完整的，我們BMS的架構圖。首先，536會在這個地方，我們還會有一個二級保護的，叫做PL660的，也是后續(xù)會推出的。這是一個完整的BMS解決方案，到MSC以后，我們還會再傳給主控單元。接下來跟大家介紹一下是我們14通道的被動均衡芯片。1454它代表一共是7顆芯片，他是一個完整的解決方案。EM1454代表的是解決方案的代號。它也是能做到正負1MV的均度，我們每個通道的范圍是負2伏到5.5伏，因為他用的是14通道的采樣前端。這一顆比較特別一點，就是每一個會考慮在大電流放電的區(qū)間有可能會產生極性的反轉。所以設到負2伏到5.5，這也是對芯片做了一個冗余的保護。這顆前端采樣前端是可以接14個通道的電池。他是接受兩種控制，這兩種方式可以通過MCU對它進行控制。大概的方案架構是這樣的，我們的1432在這里，通過前端和14節(jié)電心相連，對他進行通道選擇，多通道的選擇給他一個指令，這樣的話他會將電壓的采集值通過他的輸出口給到ADC，這個地方要說明一下，他和536的不同，因為536內部是集成了ADC，所以536的輸出是一個數字型，而532是一個模擬的信號，給出來的給到一個外部的ADC，再由這個ADC轉換以后給到MCU，所以536可以說是在1432和ADC的集成芯片，但是只是去到6個通道，我們1432里面是可以做到14個通道。在參考設計里面我們的Power Suppiles，整個芯片組是由整個電池包來供電的，我們會根據客戶不同的需求也會來調整我們的電源。接下來給大家介紹一下我們主動均衡的方案。我們主動均衡的這個方案的精度跟前面的三個方案都是一樣的，都是可以做到正負一毫伏。我們整個系統(tǒng)是可以承受住750伏的整個高壓系統(tǒng)。1451和1454類似，只是一個芯片組的代號。在這個芯片組內部我們一共是14顆芯片，14顆芯片但是它的采樣前端跟前面是一樣的，用的都是1432，關鍵的地方我們主動的均衡的是有1428和1499，這兩個芯片外加變壓器來實現的。我們TI目前在 整個均衡方面有三種不同技術架構的均衡方案，首先最簡單的就是目前大家經?？吹降谋粍泳?。這種均衡就是放電式均衡。第三種我們叫做charge shuffling，它的原理就是說能量是通過外圍的電容合乎電感的外圍一節(jié)一節(jié)的往下傳，他是一個能量的轉移。但是他的轉移是必須這樣，就像擊鼓傳花一樣一個接一個往下傳。另外就是在汽車領域比較主推的，我們叫隔離的DCDC的架構，我們會用這種就是說有電池包、前端會有一個由摩斯管形成的矩陣開關。這個開關矩陣會有1428這個芯片來進行驅動。當MCU根據均衡策略和算法確定要打開或者對某一路電心充電或者放電的時候我的1428會根據對應的這些MCU打開或者關斷，這個時候就決定這顆電心是充電還是放電。根據均衡策略決定要對電池1，把電池D的能量給到電池4，我會去把首先我的1428會把VD這塊相鄰的館打開，將D1的能量通過網絡，傳給變壓器，再完變壓器把能量傳輸給第四節(jié)電心。能量的轉移目前我們的效率是可以達到87%，我們整個的架構最大的容量目前設計是5安培，我們接下來會接一些動作，會把這個電流拉下來做到1安培。大家可以看到這三種不同的技術架構各有優(yōu)缺點，首先對于被動均衡我們認為在小電池包，比如說在電動自行車領域或者說UPS領域，就是說電池容量并不是很大的用這個被動均衡我覺得足夠，成本比較省，體積也比較小，同時也能實現均衡的要求。對于我們DCDC隔離式的主動均衡方案我們目前是，因為電流可以做大，而且效率可以做的很高。但是缺點就是說現在目前看來成本還是比被動均衡要高很多。所以在EV和HEV的使用上每個廠家會有不同的選擇。大家看到被動均衡有536也有馬上會出現的PL455。這些產品都是支持被動均衡的架構。對于我們現在另外的主動的均衡我們也有，這是針對不同的市場環(huán)境。我們可以看到比如說在HEV上面因為用的電池包比較少，容量比較小一點，對成本也非常的敏感。在這一塊基本上很多的車廠和電池廠都比較傾向于選擇被動均衡的方案。在純電動汽車，因為電池成本比較高，所以對于電池維護以及延長它的壽命就顯得非常重要。在這一塊增加一部分的成本，以主動均衡的成本來演唱整個電池使用效率以及壽命目前也是有很多的客戶能夠接受的。我們接下來努力的方向是希望由這個架構做一些低成本的方案，把他從引向HEV的市場。這個是我們主動均衡的板，這一面是主動均衡，AFE在這塊，我們摩斯管的開關矩陣在這個地方，這個地方是1428和1499的芯片搭起來的。這個是我們外圍用的變壓器。這是我們上面裝的一幅工藝圖，一旦看到我的主動均衡開啟以后，電池的電壓原來由分散的會趨向于收斂。這個是我們跟一家國際車場做的測試報告，測試環(huán)境是由96串電池包，66安的，測試條件有95節(jié)的電心屬于良好的狀況。有一節(jié)的電心屬于不