电池路由器跟猫的区别

电动汽车电池管理中的有线与无线通信TaylorVogt德州仪器(TI)电池管理系统应用工程师2随着人们对电动汽车(EV)的需求持续高涨,制造商开始关注如何通过既安全又具有成本效益的方式来提高汽车性能.
其中,制造商尤为关注如何改进电池管理系统,这是因为该系统能实时监控电动汽车中每个电池的性能.
电动汽车的微控制器(MCU)可有效地监控每个电池,从而确保所有电池正常运行,并实现负载共享均衡.
本白皮书论述了有线和无线BMS解决方案的区别,可帮您选择适合电动汽车设计的出色方案.
电动汽车中的分布式电池管理系统在电动汽车应用中,为了满足交流电机负载的严苛要求,内部电池组电压不低于800V.
这相当于在汽车底盘中串联堆叠100个或更多的锂离子电池.
制造商急需对高压电池组应用更为先进的技术,从而以安全、及时和可靠的方式报告电池诊断信息.
一种常见的设计方法是采用分布式电池组系统,它通过在不同的印刷电路板(PCB)上连接多个高精度电池监控器,支持包含多节电池的电池组.
在有线BMS解决方案中,利用双绞线电缆以菊花链方式连接电池监控器,可传输从每个电池模块采集的数据.
有线和无线BMS解决方案的区别在于,后者使用无线通信接口,而不是菊花链电缆.
图1展示了适用于400V至800V电动汽车的典型分布式电池组系统.
图1.
分布式BMS示例.
内容概览1电动汽车中的分布式电池管理系统电动汽车高压电池组需要复杂的通信系统来传输电池电压、温度和其他诊断信息.
本白皮书论述了电动汽车(EV)中有线和无线电池管理系统的设计注意事项.
3在有线或无线环境中使用TI电池监控器TI的专有电池管理系统(BMS)协议提供了可靠的高吞吐量、低延迟通信方法,适用于有线和无线BMS配置.
2评估有线与无线解决方案高精度电池监控器可通过有线或无线方式与主机通信,从而传输电池组相关数据.
这里说明了分布式电池系统的若干设计注意事项以及利弊权衡.
HV+relayHV-relayHV-HV+HVrelaycontrol400Vor800VModulenModulen-1Module1DaisychainGalvanicisolationSPI/UARTCANMCUBQ79600MonitorMonitorMonitorCurrentsense3在图1中,有一个子系统包含主机MCU,它通过控制器局域网总线与车辆的控制单元连接.
然后MCU处理器驱动电池监控器件连接到电池模块,用来感应电压和温度.
所有高压电池组均需要快速与主机MCU通信,为了支持这一需求,可以添加任意数量的电池监控器件,具体取决于电池监控器支持的通道数量.
系统需要监控和通信的其他常见场景还有,通过高压继电器控制来确保在不使用车辆时安全地断开高压,以及通过电流感应来计算充电状态和了解电池组的运行状况.
有线与无线BMS的注意事项本文重点介绍了电池组与主机MCU中连接的每个电池监控器件的通信接口.
两个示例都使用了BQ796xx系列监控器.
典型的有线解决方案利用双绞线电缆在电池模块之间以菊花链方式连接电池监控器.
无线通信方法使用CC2642R-Q1无线MCU来传输数据.
在图2中,左侧显示了有线解决方案的电池管理或监测单元(BMU)板,其中包括主机MCU和BQ79600-Q1通信桥接器件.
此BMU连接MCU和单节电池监测单元(CMU)上其他BQ796xx监测器件,而CMU与实物电池连接.
这些CMU通过双绞线菊花链电缆在每个电池监控器件的高侧和低侧互联,也可使用环形电缆,在电缆断开时向任一方向传输数据.
有线解决方案需要在菊花链电缆的任一端添加隔离元件,用来确保在高噪声环境中可靠通信,并承受严格的汽车电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)限制.
无线解决方案使用无线接口,通过无线收发器器件,将通用异步接收器/发送器(UART)数据从电池监控器传输到主机MCU.
图3使用比图1更简单的方式表示CMU,但添加了一个无线接收器节点,表示CMU利用一个额外器件将单节电池的数据以无线方式传输回主机.
这样可将图2中显示的两个CMU正常隔离.
图3.
无线BMS示例.
两种解决方案之间的重要区别在于,有线解决方案中的双绞线电缆被替换为无线解决方案中每个BMU上的CC2642R-Q1器件.
可能有人会发现,与使用电缆相比,添加额外器件会提高复杂性和成本,但考虑到电缆的成本和重量,以及还需要在双绞线接口任一侧放置高性能隔离元件来确保通信稳定,添加额外器件是可以接受的.
表1概述了有线和无线电池管理解决方案的其他注意事项.
12VBatteryBatteryBatteryBatteryBatteryBalanceandltercomponentsBalanceandltercomponentsBalanceandltercomponentsBalanceandltercomponentsCAPortransformerCAPortransformerCAPortransformerCAPortransformerBATVIONFAULTUART/SPIINHCOMLBMUisolationCOMHCOMLCOMHCAPCAPCOMLCOMHCOMLCOMHCOMLCOMHBQ79600-Q1CMUCMUBQ796xx-Q1BQ796xx-Q1BQ796xx-Q1BQ796xx-Q1TransformerTransformerSBC(PMIC)ENMCUBMULowvoltageboundaryOptional:ringenablesfaultandreversewakeupfeature图2.
有线BMS示例.
WirelesscellsupervisionunitBQ796xx-Q1CC2642-Q1BQ796xx-Q1WirelesscellsupervisionunitBQ796xx-Q1CC2642-Q1BQ796xx-Q14TI的有线与无线BMS协议如果深入研究两种解决方案使用的TI协议,就会发现有线解决方案使用的是差分、双向和半双工接口,所以在高侧和低侧通信接口均有变送器(TX)和接收器(RX),默认情况下可从低侧到高侧传送信息.
这些TX和RX功能由硬件根据器件的基站或堆栈检测自动进行控制,数据在传输到每个模块时会重新计时.
BQ796xx器件的RX拓扑与RS-485类似,但增加了衰减高共模电压的设计机制,高共模电压是由车辆环境中典型的嘈杂情况导致的.
每字节以2MHz(每脉冲250ns,或每对500ns)传输.
如图4所示,两个字节之间的传输时间取决于UART波特率(正常运行状态下为1Mbps),但字节传输时间始终相同.
有线接口可支持电容或电感隔离,在严格的汽车EMC/EMI规格范围内实现稳健性.
图5展示了使用电容器和扼流圈的示例.
您可以设计每个电池监测PCB之间的电路,而且可堆叠多达64个器件,为大小不同的车辆电池模块提供支持.
为了满足一级供应商和原始设备制造商开发下一代电动汽车的要求,TI基于在2.
4GHz频段中运行的低功耗Bluetooth技术,编制了专有无线BMS协议.
表2列出了TI无线BMS协议的功能,包括每个中央单元可支持多达32个节点的星型网络配置;能够提供高吞吐量、低延迟的数据传输;以及使用符合功能安全标准的协议.
注意事项有线BMS无线BMS重量典型的可靠性标准增加了整车重量和复杂性降低了整车重量和复杂性设计灵活性和可维护性整体占用空间较大,灵活性较差更难维护电缆断开连接后可实现模块化尺寸更小,可提高设计灵活性和更灵活的车内布置更易维护测量同步测量电压和电流要求双向传输,导致两次读数之间出现延迟延迟测量特性可提高性能无线系统可自然实现时间同步的测量能够添加更多同步感应功能可靠性接线可靠,满足功能安全标准,但随着时间的推移也会出现故障环形架构具有内置双向冗余电缆维修更加复杂无需维护线路设计必须克服恶劣的汽车射频环境和视线盲区挑战安全性内置、受到完全保护的系统通信可能破坏设计不完善、缺少安全协议的系统表1.
有线与无线BMS的注意事项.
ByteUpto8.
375sforabyteByte10.
3sat1Mbps40.
6sat250Kbps(ifcommdebugisenable)NominalResponsebytetobytedelayisxedbytheUARTbaudrateUpto8.
375sforabyte图4.
BQ796xx字节级通信.
两种协议的主要区别在于,菊花链双绞线接线在MCU和顶层监测器之间传输信号;而在无线星型网络配置中,每个模块可与主机处理器独立通信.
两种解决方案的规格都有助于汽车系统快速、安全、可靠地提供大量电池组相关数据.
结束语要对电动汽车高压电池组提供安全、可靠的低成本解决方案,需要采用高标准的通信协议来承受高噪声环境,并使系统能够灵活改变电池组中的电池模块配置.
BQ7961x-Q1系列产品可支持系统根据需要采用有线或无线通信.
利用以下其他资源,简化您的有线或无线BMS设计:《实现汽车电气化的电池管理功能安全注意事项》白皮书BQ7961x-Q1数据表无线BMS演示视频图5.
有线隔离式电路示例.
RTERM1kΩRSERIES49ΩRSERIES49ΩCBYPASS220pFCBYPASS2.
2nFCBYPASS2.
2nFCBYPASS2.
2nFCBYPASS2.
2nFCBYPASS220pFCOMLPCOMLNESD(optional)RTERM1kΩRSERIES49ΩRSERIES49ΩCBYPASS220pFCBYPASS220pFCOMLPCOMLNESD(optional)TwistedpaircablingbetweenmodulesCommon-modechoke470H470HCommon-modechoke功能目标设备安全关键型响应时间(延迟)最大值100ms(安全)数据吞吐量每个无线器件多达400字节连接可靠性99.
9999%安全性安全的加密消息可扩展性多达32个无线器件及更多多仪表组支持是功能安全系统级ASIL-D/ASIL-C功耗主节点95dB组成网络的时间<600ms表2.
TI的无线BMS系统目标.
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