德州仪器新能源BMS解决方案.doc

德州仪器新能源 BMS解决方案地点：上海新国际博览中心 N4-M46 演讲嘉宾：TI(德州仪器)资深业务发展经理 陈放时间：2012-10-30 13:50:00 至 2012-10-30 14:35:00 大家下午好，我来自德州仪器半导体技术有限公司，我目前负责TI SEMI BMS中国区的拓展。我今天想分享的是我们TI在新能源汽车方面的BMS的解决方案。首先介绍一下TI整个BMS的产品线的状况，大家现在看到的这幅图上面，我们是整个TI的BMS的我们叫做BU，这个BU下面一共是分为五条产品线。当我们五条产品线覆盖的范围是从单串的锂电池，比如说一些消费类的电子产品一直到市场，我们覆盖到电动自行车，电动工具，最高串数是到现在的纯电动汽车以及混合电动汽车上面的，这一系列我们都称之为BMS。今天我的PPT里面主要讲的是高功率的这一块的BMS。首先跟大家介绍的是我们在工业上面，主要是涉及到电动自行车以及电动工具。还有就是目前比较新兴的48伏的USP市场，锂电池这个行业是一个新兴的行业，所以有很多的锂电池的应用的产生和出现。同时也是由于原来铅酸电池市场的收缩，让越来越多的锂电池会替代铅酸电池，在原来的有越来越多的锂电池的应用。我们知道欧美是全面禁止电池的出口，全部已经改改换成锂电池。对于电动自行车，目前也是国家有很多的标准，比如说对于电动自行车的重量以及它的行驶速度有一些规定，这些整个是在行业上面在刺激锂电池自行车的应用。除此之外还有目前的UPS市场，中国移动、联通很多这些机站上面在原来的铅酸电池应用领域上面也开始在广泛的使用锂电池。这个图是我们目前在整个工业领域上面BMS的一个解决方案的产品介绍。目前黑色部分都是我们已经量产的产品，蓝色部分是今年我们在第四季度即将向全球推广。现在可以给大家看到我们目前最多是做到十串，在这个行业基本上不是叫BMS了，我们是叫做保护板，锂电池的保护板。因为在这个行业主要现在是36伏、48伏以下的这种电池。所以它的对锂电池的管理的主要的功能和目的主要是体现在保护上面。大家可以看到我们现在有三种，一个是900，一个是910A，还有一个是908A，分别可以做到10串和8串，这三颗我们叫做独立的保护芯片，这一颗芯片就可以做到对整个锂电池包的电压、电流以及温度的监控和保护。我们另外一系列的我们称之为AFE，翻译过来叫模拟前端，这一类是做一个电池的电压，温度还有电流的采集。后端的保护的功能是需要MCU再去进行设计。我们还有第三类的叫做BQindy。这块我们今年推出了34Z100，目前在行业内我们坐到最高电压，就是我们能支持60伏的电池包整个容量的计算。其他的可以看到，在独立芯片保护方案里面我们接下来会有一些更低端的，以及低串数的保护芯片推出。在前端AFE这一块我们会有更多高串数的产品即将会推出。最高的串数，我们会定位是在16串。前面的这几颗920、930、940、950，有一颗做搭配的叫78350，这一颗是MCU，写入了阻抗追踪算法，这样搭配可以实现整个16串电池包的容量计算。刚才有提到就是说我们独立芯片的第一串数的四串和五串的解决方案，虽然单线只是做到4到5串，但是我们计划是要让它进行芯片间的叠加，可以直接最大做到20串，这样就比较符合工业级里面低成本的保护板的方案的要求。大家可以看到，这是我们77908A和77910A的芯片，大家可以看到它的外围电路非常简单，大家只是需要把前面的这个8串或者10串的电池接到芯片里，外接一些摩斯管，这个保护板的设计就完成了。这个是我们的BQ76925，从一直到最高的16串的架构，都跟这个比较类似。他们通过SPA之间的连接，由MCU对模拟前端进行控制，再由模拟前端在前方取回电池的电压、电流以及温度的这些参数，给到后端的MCU进行计算，从而进行这个保护以及后端容量计算的功能的实现。接下来跟大家介绍一下，我们TI在汽车这块的产品。在提到TI的BMS，不得不提我们目前和TI和国半合并。在去年的9月26号，TI是正式并了美国国家半导体公司。合并之后，这两个团队合二为一，接下来介绍我们TI加上之前的国半的所有的汽车BMS产品。这幅图跟大家介绍一下目前TI和整个国半在汽车电子上面我们可以做到一些什么东西。比如说在一些汽车级的驱动、还有一些Audio以及PTMS这块都有相应的产品，还有一些汽车的Ligting，我们BMS只是其中之一。TI的BMS跟刚才介绍的保护板的方案有一些区别。汽车的BMS是一个比较复杂的系统，所以TI的定位，首先我们还是一家IC的供应商，但是我们并不仅仅局限于这一点，因为要提供一个完整的方案，我们必须要给客户提供非常完整的资料。所以我们在汽车BMS这块提供的不仅仅只是一颗芯片，而是提供了一个完整的解决方案。也可以简单的讲就是一个很完整而且经过非常多的实际验证过的参考设计。我们目前的汽车BMS的精度目前是业界最高的，我们可以做到正负一毫伏。还有我们新出的所有的芯片都会去满足ISO26262的标准，这个标准我们一般叫做ASIL，全称叫做汽车安全完整性等级，这个大概在三年前由欧美的汽车厂开始在整个汽车电子业界开始主推。我们现在的产品，TI现在接下来会有两款方案，将会直接去满足ASIL最高级别的D，ASIL分成四个级别ABCD，我们将会去完成D的标准。值得一提在ASIL的标准委员会里面，有两位是来自IC业界的专家，这两位IC专家都来自我们TI，一个是来自我们MCU的团队，一个是来自我们的BMS团队。既然今天是跟大家介绍我们的BMS产品，不可能就避过要说到电池，BMS一定是跟电池相关的。在这里我们可以讨论一下目前在纯电动汽车以及混合动力汽车上面对于电池组的一些什么要求。我想最关键的首先就是安全。不论我们在欧洲、美国、日本、中国的车厂，我们跟所有的车厂在讨论BMS以及新能源汽车问题的时候大家无一例外首先要讨论的都是安全。这个产品这个电池这个BMS在安全性能上到底能做到一些什么，这个是大家必须首先要考虑到的。其次就是它的一些功率，一些循环寿命，以及他的充电的速度，这些东西都是对整个电池组提出来的要求。其实我们可以看到，这里面很多都是跟BMS相关的。刚才我们讨论的是对整个电池组的要求，细化下来对于我们BMS的要求是什么？首先第一就是说，我们需要实现均衡的要求。当我们知道，一辆纯电动汽车目前我们看到一般是96串，甚至到108串。混合动力可能会低一点到48串也有。但是这些都是一个非常多的电心进行的串联，对于每节之间均衡的要求就提出来。因为我们看到电心这个供应商所生产出来的电心的一致性的确并不是达到一个让人满意的程度。所以这一点上对于BMS提出一个要求，但一组电心再循环几十次一百次以后，由于它的不一致性导致整组电心的容量这些不一致，那怎么样由BMS来对他进行补偿？另外一个就是他的寿命和放电深度，还有一个就是他的热管比。我们知道看一下锂电池的一些温度放电曲线我们可以看到，单节的锂电心，如果环境工作温度上升10度，我们看到的就是他的循环寿命可以减少1/3大概。所以在他整个环境以及工作温度的管理也是必不可少的。所以这个功能在BMS上面也是必须加入的。另外一块就是他的质量担保。我们应该大家也都看到其实在国际上，还有国内经常可能有时候会听到说，新能源汽车的起火，还有一些电动自行车也在起火，这块都是安全性以及后续质量担保的问题需要大家继续去探讨。另外一块，这个地方主要是对我们芯片提出来的要求。刚才提到就是说，首先是要有安全性，可是一个电池包高达300多伏，可能纯电动的大巴上面高达500多伏，在这样一个高压的系统上面，产生的是100多串的电池的串联，要去管理这些100多串的电池对于IC来说就是高压上的一个挑战。我们TI和国半最高的IC耐压制成，现在目前可以看到有120、130伏，可是对于500多伏的一个电池包，可能瞬间峰值电压还会更高，我们怎么样用我们在现有的120伏的耐压的IC工艺上面形成一个能够抵抗这么高电压的BMS系统，对于我们IC公司提出一个很大的挑战。另外一个就是电心和我们的芯片之间的连接以及集联，还有纵向通讯以及干扰。目前现在很多的BMS他们大家都知道，如果能够在新能源汽车上实现的话，在成本上的降低会是一个很大的进步。这幅图是我们目前整个TI汽车BMS的产品架构。绿色的三个部分我们已经在去年已经开始量产，而且在全球已经开始出货。其中有三款，PL536是被动性的BMS芯片，我们另外有两款，一个是EM1454，一个是EM1451，我们都是对应最多到14串的BMS解决方案，但是他们的解决不同是1454是做到被动均衡，1451我们是做到主动的均衡。我们今年还会有一些新产品的推出，最受目前很多客户很关注的就是目前会推出一款高达16通道的被动均衡，我们就要做PL455，这个芯片会在今年年底会进行发布。接下来跟大家详细的介绍一下刚才我提到的这四款产品。首先536A，这一颗现在是满足ASIL D的级别，而且也是正负1Mv，我们采用的是SPI的通讯。刚才我们有提到芯片和芯片之间可以通讯，但是我们最多是可以做到32片的536的结联，最多是可以有192节的电心。这幅图是我们536的架构图也是我们的方案图，大家可以看到536这中间是不需要隔离的，通过菊花链的方式进行集联。最顶端的536就可以通过我们TI的MCU，然后进行通讯，然后再把他的这些讯息再传到主控单元。这颗就是一个比较完整的，我们BMS的架构图。首先，536会在这个地方，我们还会有一个二级保护的，叫做PL660的，也是后续会推出的。这是一个完整的BMS解决方案，到MSC以后，我们还会再传给主控单元。接下来跟大家介绍一下是我们14通道的被动均衡芯片。1454它代表一共是7颗芯片，他是一个完整的解决方案。EM1454代表的是解决方案的代号。它也是能做到正负1MV的均度，我们每个通道的范围是负2伏到5.5伏，因为他用的是14通道的采样前端。这一颗比较特别一点，就是每一个会考虑在大电流放电的区间有可能会产生极性的反转。所以设到负2伏到5.5，这也是对芯片做了一个冗余的保护。这颗前端采样前端是可以接14个通道的电池。他是接受两种控制，这两种方式可以通过MCU对它进行控制。大概的方案架构是这样的，我们的1432在这里，通过前端和14节电心相连，对他进行通道选择，多通道的选择给他一个指令，这样的话他会将电压的采集值通过他的输出口给到ADC，这个地方要说明一下，他和536的不同，因为536内部是集成了ADC，所以536的输出是一个数字型，而532是一个模拟的信号，给出来的给到一个外部的ADC，再由这个ADC转换以后给到MCU，所以536可以说是在1432和ADC的集成芯片，但是只是去到6个通道，我们1432里面是可以做到14个通道。在参考设计里面我们的Power Suppiles，整个芯片组是由整个电池包来供电的，我们会根据客户不同的需求也会来调整我们的电源。接下来给大家介绍一下我们主动均衡的方案。我们主动均衡的这个方案的精度跟前面的三个方案都是一样的，都是可以做到正负一毫伏。我们整个系统是可以承受住750伏的整个高压系统。1451和1454类似，只是一个芯片组的代号。在这个芯片组内部我们一共是14颗芯片，14颗芯片但是它的采样前端跟前面是一样的，用的都是1432，关键的地方我们主动的均衡的是有1428和1499，这两个芯片外加变压器来实现的。我们TI目前在 整个均衡方面有三种不同技术架构的均衡方案，首先最简单的就是目前大家经常看到的被动均衡。这种均衡就是放电式均衡。第三种我们叫做charge shuffling，它的原理就是说能量是通过外围的电容合乎电感的外围一节一节的往下传，他是一个能量的转移。但是他的转移是必须这样，就像击鼓传花一样一个接一个往下传。另外就是在汽车领域比较主推的，我们叫隔离的DCDC的架构，我们会用这种就是说有电池包、前端会有一个由摩斯管形成的矩阵开关。这个开关矩阵会有1428这个芯片来进行驱动。当MCU根据均衡策略和算法确定要打开或者对某一路电心充电或者放电的时候我的1428会根据对应的这些MCU打开或者关断，这个时候就决定这颗电心是充电还是放电。根据均衡策略决定要对电池1，把电池D的能量给到电池4，我会去把首先我的1428会把VD这块相邻的馆打开，将D1的能量通过网络，传给变压器，再完变压器把能量传输给第四节电心。能量的转移目前我们的效率是可以达到87%，我们整个的架构最大的容量目前设计是5安培，我们接下来会接一些动作，会把这个电流拉下来做到1安培。大家可以看到这三种不同的技术架构各有优缺点，首先对于被动均衡我们认为在小电池包，比如说在电动自行车领域或者说UPS领域，就是说电池容量并不是很大的用这个被动均衡我觉得足够，成本比较省，体积也比较小，同时也能实现均衡的要求。对于我们DCDC隔离式的主动均衡方案我们目前是，因为电流可以做大，而且效率可以做的很高。但是缺点就是说现在目前看来成本还是比被动均衡要高很多。所以在EV和HEV的使用上每个厂家会有不同的选择。大家看到被动均衡有536也有马上会出现的PL455。这些产品都是支持被动均衡的架构。对于我们现在另外的主动的均衡我们也有，这是针对不同的市场环境。我们可以看到比如说在HEV上面因为用的电池包比较少，容量比较小一点，对成本也非常的敏感。在这一块基本上很多的车厂和电池厂都比较倾向于选择被动均衡的方案。在纯电动汽车，因为电池成本比较高，所以对于电池维护以及延长它的寿命就显得非常重要。在这一块增加一部分的成本，以主动均衡的成本来演唱整个电池使用效率以及寿命目前也是有很多的客户能够接受的。我们接下来努力的方向是希望由这个架构做一些低成本的方案，把他从引向HEV的市场。这个是我们主动均衡的板，这一面是主动均衡，AFE在这块，我们摩斯管的开关矩阵在这个地方，这个地方是1428和1499的芯片搭起来的。这个是我们外围用的变压器。这是我们上面装的一幅工艺图，一旦看到我的主动均衡开启以后，电池的电压原来由分散的会趋向于收敛。这个是我们跟一家国际车场做的测试报告，测试环境是由96串电池包，66安的，测试条件有95节的电心属于良好的状况。有一节的电心属于不