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无线BMS新进展,TI为增强电动汽车续航和安全性亮大招

作者:王洁
发布日期:2021-02-03
来源:电子技术应用

随着汽车行业的迅速发展,新能源汽车发展的长期优势凸显,新能源汽车替代传统燃油车成为大势所趋。然而目前在生活中去问“你现在会买新能源汽车吗?”,依然有很多消费者给出否定答案,原因主要集中在“里程焦虑”和“整车安全”两方面,毕竟汽车行驶到半路电没了和触目惊心的自燃甚至爆炸都是驾驶者无法承受之痛!

为了能够有效规避充电导致的起火,将电动汽车的安全事故大幅降低,主机厂都为他们的电动汽车配备了电池管理系统BMS(Battery Management System)。作为管理和监控动力电池的中枢,BMS负责管理、维护、监控电池各个模块,肩负着防止电池过充过放电、延长电池使用寿命、帮助电池正常运行的重任。BMS作为衔接电池组、整车系统和电机的重要纽带,对电动汽车的安全至关重要。然而如今看来并没有一劳永逸,有了BMS,电动汽车冒烟、自燃甚至爆炸事故依然在发生。

这里有个关键点是目前上路行驶的新能源汽车BMS基本上都采用的是有线连接的方式,线缆连接问题给汽车BMS带来了很大的隐患。近日,TI针对电动汽车BMS领域宣布了一项重大进展,发布了业界首个通过汽车功能安全管理体系ASIL D认证的无线BMS解决方案。

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TI的无线BMS

在TI无线BMS新品发布会上,德州仪器 (TI) 中国区嵌入式与数字光处理应用技术总监师英 (Jerry Shi)将电动汽车BMS当前面临的挑战总结为四点:

第一、每节电池都必须通过电缆连接到一个调节电量表现的监控器;

第二、由于电缆故障而进行的保修费用很高,更换电池也很昂贵;

第三、线束和连接器是导致电缆故障的常见原因;

第四、为了使电缆连接更可靠,需要采用重型铜线,而这会在电池管理中造成电缆布置复杂且庞大。

“当采用无线方案把电缆替代掉之后,省出来的空间可以放更多电芯,进一步提高整个电池包的体积能量密度。”师英表示,“TI在设计无线BMS方案时充分考虑了在系统级来解决一些技术难题,最终增加车辆续航里程,提高整车性能和安全性,同时让整车系统更加便于维护。”

TI的无线BMS解决方案包括SimpleLink CC2662R-Q1无线MCU、BQ79616-Q1电池监控器和平衡器。

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SimpleLink CC2662R-Q1是一颗符合AEC-Q100标准的基于Arm Cortex-M4 的无线MCU,片上集成了射频子系统,可以在2.4GHz带宽上实现短距离的无线通讯。同时在芯片里也集成了专有无线协议栈,可以快速组成无线BMS网络。

BQ79616是一个系列芯片,有不同的通道数选择。BQ79616是16个通道,TI同时提供有引脚和软件兼容的12个通道、14个通道和16个通道,可以给用户提供最大的设计的灵活性,帮助其在系统上降低成本。师英举例说明,假如有一个电池包的模组要求是28个电芯,假如用16通道的芯片,就只能用两片16通道芯片,也就是32个通道。实际只需要28个通道,这样有4个通道就是浪费的,是额外被浪费掉的成本。而BQ79616和BQ79612这两颗芯片是硬件、引脚和软件都兼容的,所以可以用一片BQ79616加上一片BQ79612,正好拼成一个28通道模组,没有任何一个通道被浪费掉,来帮助节省系统成本。

师英强调,BQ79616系列芯片都是在芯片元器件级别就符合ISO 26262 SÜD级别的标准,因此在通信、电芯温度、电芯电压测量等功能方面都可以达到SÜD级别。

TI无线BMS亮点

谈及相比市场同类产品的优势,师英指出,TI的无线BMS有两个最大的特点:

第一,无线BMS这套网络协议是TI考察了无线BMS面临的具体应用环境之后,专门针对无线BMS所打造的一套网络协议栈;

第二,这套方案在设计之初就考虑了ISO  26262 SÜD的设计过程和功能安全目标,因此在整个设计环节中都是考虑了ISO 26262 SÜD要求来完成这套设计的。

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关于可靠性,要提到汽车内无线BMS系统的网络协议。这是TI分析了汽车内部的实际的应用环境,具体考察了可能面临的很多干扰和挑战,专门为无线BMS设计的一个无线通讯协议栈。这套协议中的网络可用性高达99.999%,即便是99.999%之外的故障也有快速诊断和恢复机制,可以让网络恢复到安全通讯的状况下,在任何情况下不超过300ms即可重新启动和建立无线网络。

在无线通信协议栈里,时隙化的通信设计可以极大地提高数据吞吐率和降低每个节点间的通信延迟,从而进一步保护数据不丢失,而且不被损坏。可以做到1.2Mbps的数据吞吐量,每个节点延迟不超过2ms。同时,可以快速精确地向电池主单元MCU发送误差不超过±2mV电压数据和电芯温度数据,而且整个网络数据包的误码率小于10-7

在信息安全方面,TI通过独特的密钥交换和刷新机制,以及独特的器件认证和调试安全及其他保护,能够让整个无线BMS系统在信息安全上也有出色表现,不会被一些信息安全的攻击所攻破。

在扩展性方面,基于BQ79616和CC2662这两个芯片搭建的无线BMS方案上,从可扩展性方面可以达到最多支持100多个节点,无线BMS的网络协议栈的节点容量可以到100个节点,每个节点小于2ms的通信数据延迟,并且因为现在每个节点之间都是无线连接的,省去了原来复杂和昂贵的除电缆之外的隔离电路,可以降低整个BMS系统的成本。

无线BMS是趋势

BMS的发展一定是围绕着使电动汽车拥有更高的效率、更安全、有更高的续航里程。德州仪器 (TI) 系统工程经理吴万邦 (Mark Ng)认为:“无线BMS肯定是符合BMS的趋势,当然所有的BMS系统不会都转到无线 BMS,但很多OEM(原始设备制造商)已经在考虑无线BMS,因为它的优势是很明确的。现在很多OEM没有用到无线BMS是因为他们没有找到一个好的方法,市场上已有的无线协议仅在软件上面进行考虑,TI 的BMS从电池的方案着手,在BMS 协议上来解决的。”

目前传统的BMS都是基于有线通信的BMS系统,工程师要迁移到无线解决方案的时候,最大的一个转变就是需要一个学习曲线,需要去重新学习这一套无线BMS整个系统的设计和开发的考虑。师英介绍道:“TI在这个方面可以帮助客户工程师,TI的无线 BMS系统从硬件到软件,整个的参考设计已经做得非常完善。所以基于TI的参考设计,只需要花很短的时间,把自己的应用搭建在TI的参考设计上就可以了。”

目前无线BMS开发套件SDK可以在TI官网免费下载。CC2662和BQ79616都已量产,在TI官网上可以进行购买。在供货方面,师英介绍,TI 绝大部分的产品是从14个全球化的工厂里制造和生产的。为了保证汽车电子市场的供应,对于汽车产品,在新产品开发到转产生产的时候都会为它设计两条互相备份的产品线。到目前为止,TI的供货依旧好于市场平均表现。


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