常见的电动两轮车 BMS 架构

1、摘要

近年来,随着新国标的施行,以及平衡车,滑板车,共享电单车等新应用场景的出现,促使电动两轮车市场迎来了新的发展热潮。

锂电池因为具有能量密度高,循环次数多等优点而逐渐替代铅酸电池,受到越来越多电动两轮车厂商的追捧。但因为锂电池相比铅酸电池而言,安全性更差,因此需要严格的电池管理系统(Battery Management System, BMS)对锂电池进行监控和保护。

而根据不同的用户需求,往往需要选择不同的 BMS 架构,比如电摩需要实现更高功率,因此会使用多片 AFE 级联以支持更多电池串数,又比如某些电动自行车的充放电电流相差较大,会设置单独的充放电路径以优化成本。

本文将介绍几种常见的电动两轮车 BMS 架构以及不同架构的
优缺点及其使用场景。

2、电动两轮车 BMS 架构

2.1 典型的电动两轮车BMS架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第1张图片

通常由电芯,模拟前端,二段保护,主控等组成。

其中, BQ77216 是一款单颗可支持 3-16S 的二段保护产品,不需要像传统的采用多片级联实现 16S 二
次保护。并且相比传统的二段保护产品, BQ77216 不仅具有过压保护功能,而且还具备欠压,过温,
开线等保护功能,满足更多的设计需求。

BQ76952 是 TI 最新的支持 3-16S 的 AFE 产品,具有采样精度高,集成高边驱动和可编程 LDO,支持
脱离 MCU 独立工作,支持乱序上电,功耗小等诸多优点,而被广泛应用于电动两轮车领域。并且因为
BQ76952 具有 DCHG 和 DDSG Pin,分别实现对 CHG 和 DSG Pin 的逻辑映射, 因此既能实现高边驱
动的方案,也可以实现低边驱动的方案。 同系列的产品还有 BQ76942 和 BQ769142,分别支持 3-10S
和 3-14S 的电池包。

2.2 电动两轮车BMS架构细分类

按照充电 FET (CFET)和放电 FET (DFET)的位置不同,可以将电动两轮车的 BMS 架构分为以下四种:

2.1.1 高边串联架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第2张图片
CFET 和 DFET 都置于高边,并且以串联的形式连接,所以称之为
高边串联架构。

2.1.2 高边并联架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第3张图片

CFET 和 DFET 都置于高边,并且以并联的形式连接,所以称之为
高边并联架构。

2.2.3 低边串联架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第4张图片
CFET 和 DFET 都置于低边,并且以串联的形式连接,所以称之为
低边串联架构。

2.2.4 低边并联架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第5张图片

CFET 和 DFET 都置于低边,并且以并联的形式连接,所以称之为
低边并联架构。

3、选择合适的电动两轮车 BMS 架构

上述四种架构的主要区别在于两点:一个区别是 CFET, DFET 是置于高边还是低边;另一个区别是
CFET, DFET 是串联连接还是并联连接。 根据不同的应用场合,应该选取合适的 BMS 架构。 下面分
别介绍在选取不同 BMS 架构时的主要考虑。

3.1 高边 or 低边

3.1.1 高边与低边介绍

低边方案是目前应用比较成熟且比较容易实现的方案, 多数两轮车也是基于低边方案设计的。同时,
目前大部分模拟前端也集成了低边驱动的能力, 比如我们上一代的经典产品 BQ769x0 系列就是采用的
低边保护方案。

但是低边保护方案存在一个缺点:当 CFET, DFET 关断的时候,电池包的地和系统端的地不再共地,
所以一旦有保护被触发关断充放电 FETs,电池端和系统端不再能够实现直接通信。若想继续实现通信,
则需要采用隔离通信,这不仅会增加成本,同时也会增加功耗,尤其是欠压保护时,过大的通讯功耗
对于原本就欠压的电池包更是雪上加霜。 因此低边方案主要应用于对成本更为敏感的没有复杂通信的
产品中。

相比较低边保护,高边保护方案即使在保护被触发后,电池包和系统端仍然是共地的,因此仍然可以
实现相互之间的通信,而无需增加隔离通信, 且触发保护后断开电池正端,系统更加安全。

3.1.2 部分示例

常见的电动两轮车 BMS 架构_第6张图片
BQ76200 是一款低功耗的高边 NFET 驱动 IC,支持充放电管单独控制,具有很强的灵活性。可扩展的
charge pump 电容可保证多组并联 FETs 的驱动能力,同时集成了 PACK 电压采样开关,方便通过
MCU ADC 实现 PACK 端电压采样。

常见的电动两轮车 BMS 架构_第7张图片

相比于 BQ769x0 系列, BQ769x2 系列 AFE 因为本身集成了高边驱动能力,所以无需增加任何其他器
件就可以实现高边保护方案,可以帮助节省一颗高边驱动芯片。 Figure 7 所示为典型的高边串联应用电
路,可以看到,通过 BQ76952 的 CHG Pin 和 DSG Pin 就可以直接驱动高边的 CHG FET 和 DSG
FET,简单方便又经济实惠。

BQ769x2 作为 TI 新一代的 AFE,相比 BQ769x0,除了集成高边驱动外,还具有支持串数更多,支持
乱序上电,更多的工作模式和通信接口,采样精度更高,保护功能更全,均衡能力更强等诸多优点。

常见的电动两轮车 BMS 架构_第8张图片
基于以上优点,越来越多的低边方案也开始使用 BQ769x2 进行设计。 BQ769x2 虽然没有集成低边驱
动,但是集成的 DDSG Pin 和 DCHG Pin, 可分别实现对 DSG Pin 和 CHG Pin 的逻辑映射,利用这两
个引脚可以通过简单的电路轻松实现低边保护的方案, Figure 8 所示为典型的基于 BQ769x2 的低边保
护电路。

3.2 串联(同口) or 并联(分口)

串联架构的充电口和放电口共用一个端口, 缺点是 CFET 和 DFET 的数量均需要按照充放电电流的最
大值进行选型, 若充电电流和放电电流相差比较大时,比如一般电动车锂电池包的充电电流要比放电
电流小, 选择串联架构,则需要选择比实际需要更多的 CFET,造成不必要的浪费。

并且无论是充电还
是放电,所有的电流都需要经过 CFET 和 DFET,会产生更多的损耗和热,一定程度上也减少了电池
的有效容量。 优点是不需要考虑反向电流的问题,因为 CFET 和 DFET 的背靠背连接可以阻断反向电
流。此外, 串联架构可以节省一根功率线和一个接线端子。

相比串联架构,并联架构可以按照实际的充放电电流需要分别选型 CFET 和 DFET 的数量和型号。并
且无论是充电还是放电,都只经过一级 FET,所以损耗和发热也都更少。缺点是需要考虑反向电流,
如经 CFET 的体二极管流向充电口,或经过 DFET 的体二极管流向电芯,若要阻断这些电流路径,需要额外的电路辅助实现。

4、其他两轮车 BMS 架构

除了上述按照 CFET 和 DFET 的位置分类外,还可以按照模拟前端的数量, 有无 MCU 等对两轮车
BMS 架构进行分类。

4.1 级联架构

常见的电动两轮车 BMS 架构_第9张图片

按照模拟前端的数量,可以将两轮车 BMS 分为级联架构和非级联架构。

目前主流的电动两轮车 BMS,如电动自行车,滑板车,平衡车等,一般采用 10S, 14S 或者 16S 电池
包,一颗 BQ769x2 就可以支持,所以对于目前主流的电动两轮车 BMS,采用上述单颗 AFE 方案即可,
Figure 2 ~ Figure 5 均为非级联架构。 但对于一些要求功率比较大的应用场合,如电轻摩或者电摩,其
电压通常高于 60V,则需要采用高于 16 串的电池包来实现更大的功率,单颗 BQ76952 已经不足以支
持,需用采用两颗进行级联使用,也就是采用级联架构。

因为高压侧的 BQ76952 是以低压侧的 Vstack作为参考地的,所以高压侧 BQ76952 的通讯需要隔离 I2C。

4.2 独立架构

按照有无 MCU,可以将两轮车 BMS 分为独立架构和非独立架构。 Figure 2 ~ Figure 5 均有 MCU 搭配
工作,所以均为非独立架构。 Figure 7 中 AFE 则脱离了 MCU 而独立工作,所以为独立(standalone)架
构。当 BQ769x2 工作在独立模式时,仍然可以对电池状态进行监控,对充放电 FETs 进行控制,当触
发保护条件时,自行控制 FETs 关断实施保护,当保护条件撤去时,自行恢复 FETs 导通。

独立架构的优点是可以节省一颗 MCU,适用于对成本要求较为苛刻的应用场合。但是因为缺少 MCU,
所以在灵活性上有所损失,用户需要按照实际需求进行选择独立还是非独立 BMS 架构。

常见的电动两轮车 BMS 架构_第10张图片

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摘自TI,知识传播者

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