电动两轮车BMS架构

lichengwan

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。

电动两轮车 BMS 架构

1 电动两轮车 BMS 架构

  1.1 高边串联架构

  1.2 高边并联架构

  1.3 低边串联架构

  1.4 低边并联架构

2 选择合适的电动两轮车 BMS 架构

  2.1 高边 or 低边

  2.2 串联 or 并联

3 其他两轮车 BMS 架构

3.1 级联架构

3.2 独立架构

1 电动两轮车 BMS 架构

Figure 1 所示为一种典型的电动两轮车的 BMS 架构。通常由电芯，模拟前端，二段保护，主控等组成。利用AFE控制MOS通断和二级保护芯片控制三端FUSE熔断进行双重保护，真正意义上的双重保护。可以通过各种功能安全认证



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

1.1 高边串联架构



如 Figure 2 所示为高边串联架构。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。

优点分析：

1）BMS与外部通讯不需要进行隔离，全部参考PACK-作为参考地。

2）PACK-不存在短路浪涌冲击问题。

3）BMS驱动电路不存在耐压问题，pack-永远与B-等电位

劣势分析：

高边控制如采用NMOS 需要升压电路用于打开NMOS，gs+B+的驱动电压才能驱动NMOS打开。会多出升压电路成本，如采用PMOS电路则控制比较简单，PMOS成本大于NMOS。

1.2 高边并联架构

如 Figure 3 所示为高边并联架构。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。



优势分析：

               充放电异口方案成本降低，充电MOS选型参考充电电流，放电MOS选型参考放电电流。成本会低

劣势分析：

               不能防护一些误操作，在充电口充电和放电口充电，将会是对电芯产生致命伤害

1.3 低边串联架构

如 Figure 4 所示为低边串联架构。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。



优势分析：

             目前应用最广的方案，成本低，驱动控制简单。

劣势分析：

              需要处理B-和P-在关断时候产生电位不一致所导致的各种问题。
1.4 低边并联架构

如 Figure 5 所示为低边并联架构。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。



优势分析：

               充放电异口方案成本降低，充电MOS选型参考充电电流，放电MOS选型参考放电电流。成本会低

劣势分析：

               不能防护一些误操作，在充电口充电和放电口充电，将会是对电芯产生致命伤害

2 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。

2.1 高边 or 低边

  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。

  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。

2.2 串联 or 并联

  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ZHCABP58 常见的电动两轮车 BMS 架构要额外的电路辅助实现，参考文献 14 有更加详细的电路和测试结果，本文不再赘述。此外，并联架构需要多一根额外的功率线和一个额外的端口，有些场合不适合使用。注：有些文档也会将串联方案称为同口方案，并联方案称为异口或分口方案。

3 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。

3.1 级联架构

  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

3.2 独立架构 （也就是保护板）

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。



部分资料来源于TI官网，侵删

下一篇

讲MOS的驱动设计