TI新能源汽车电池管理系统解决方案(六)—TI的主动均衡方案

大家好

我们刚刚就是谈了 BQ76PL455 的

一些硬件软件的一些技术特性资源

还有一些设计的一些考虑

接下来我们一起谈一谈 TI 在主动均衡方面的

一些方案和技术的一些特点和细节

首先这套方案呢是一个

Pack to sell sell to pack的一个结构

当然这个就是说

也可以很轻易的更改成就可以

改成这个 Cell 跟外部总线之间的一个均衡

这样子的话

因为我们考虑到作为一个

EV 或者 HEV 的一个 BMS 系统来讲的话

它的模组是很多的

那这个时候呢

如果仅仅是对那一个模组之内进行均衡

其实并不能实现对于整电池包的一个

电池组的一个均衡

当我们把这个结构修改成对外部的一个总线

或者说对第三方电池进行均衡的话

我们可以把这个组内

跟组间的一个均衡可以统筹起来

这样就可以兼顾

整个包的一个均衡的一个情况

同时电路的改变也是非常小的

从这个结构上来讲的话

充电方向它是从 Cell 往 module

或者总线上面去进行一个放电

然后放电呢就是说

是整个包 Cell 上面来进行充电

当然是看新的电压到底是高还是低了

同时呢这个组这个方案组呢

跟主机 MCU 这边的一个联系

主要走的是 SPI 接口

我们可以从这个框图里面可以看出来

一个 1428 对一个 1499 其实是一个Chipset

当然我们也可以更优化一下

作为一个成本的更多的考虑

比如说二对一两个 1428 对一个 1499

或者三个 1428 对一个 1499 都是可以的

同时我们可以看到这个 1428

它们的 SPI 接口是共地的

对我们的 MCU 的一个控制连接

是非常非常方便的

所以呢从控制接口上面来讲的话

非常简单

首先呢就是说 SPI 这是直接

可以连到这个 EMB1428

MCU 可以通过这个 SPI 接口来控制

我要均衡哪个 Cell

同时呢我是要放电还是充电

然后呢 1428 内部呢有内嵌的一个识别

可以识别那种非法的一些命令

或者是你连续发命令的时候

它有一个竞争可以知道

它一个执行哪一个一个命令

1499 呢就是说它的内部呢

除了这个双向 DC/DC 控制之外

它还有比较充分的一个故障的一个识别

比如说过压欠压过流

还有温度的门限

还有 Timeout

或者是说电流的一个 ramp-down

所有的这些故障

它都是有相应的故障码

可以返回给到那个 EMB1428

然后呢 1428 可以通过 SPI

把这些故障码返回到主 host 或 MCU 这边

所以 MCU 这边可以很轻易的就可以知道

这个主动性这个模块到底出了什么问题

对那个 MCU 的要求也非常非常低

所以从这个信号来讲的话

我们可以看出来在 EMB1428 跟 99 之间

它们是有固定的就是说是通讯的一个线在里面

包括 EN DIR 这是 1428 控制 1499 的

控制它的一个开启和它的那个充放电方向

同时 DIR_RT 是做一个校验

提供一种安全机制

就是说我会校验 1499 有没有

正确收到充放电方向的一个指令

然后 DONE 信号呢是 1499 在关闭的时候

会发给 1428

告诉 1428 所有的 DC/DC

已经可靠的进行关闭了

这时候可以进行通道的一个切换

或者其他的一些操作了

当然 FAIL 是三根线

它可以把这个故障码告诉 1428

所以下面呢

我们再看看 1428 的详细的一个结构

一个 1428 呢

它是集成了 12 路的一个

N 管的一个驱动

专门应用于 BMS 系统

而且就是说它的那个执行

完成由 SPI 来决定的

SPI 告诉 1428 说我要

给哪一个 cell 通道进行一个均衡

把这个命令发过来之后

1428 会自动的把相应的一些开关通道的

开关打开 不相关的开关都是闭合都是关闭的

一旦就是说收到一个 stop 命令的话

那这个芯片就会自动进入一个睡眠状态

这时候的功耗小于 1uA

就是说所有的开关

把它就是配置好的话

这个周期是小于 1ms 的

所以这是非常迅速的

对于我们软件的时候

编写来讲的话是非常方便的

而对 1499 来讲的话

它就是一个比较纯粹的一个 PM 控制器

但是呢这个 PM 控制器可以支持

双向的一个 DC/DC 转换

然后呢就是说在正向方向来讲的话

我们可以从这个框图上

非常明确地可以看出来

正向方向的话

就是从那个总线或者是包往 Cell

这个方向就是一个典型的

一个 forward 结构

只不过它前面采用的是一个

有源嵌位的一个 forward

然后呢次级是采用了一个同步整流

所以这样子的话呢

就是说它可以达到一个比较高的一个效率

而在反方向的话

就是说它是一个 Boost

其实这也是因为 Buck 电路跟 Boost 电路

是一个互相转换的

所以 forward 转出来就是一个

Boost 就是一个隔离的 Boost

然后呢就是它的均衡的一个电流

是可以非常方便的可以通过VSET

这一个管脚的电压设定的

均衡电流到底是多少

这个方案呢就是说他只做恒流的一个控制

就是说它时时刻刻都保持的均衡电流

等于你设定的一个电流

所以对 EMB1499 来讲

它主要的一些功能

包括了一个双向的一个充电

这是一个主要

另外呢就是一个是同步整流

然后它的开关频率是固定的

250k 的一个开关频率

额外呢就是它输出了一路 PWM 输出

去控制一个有源钳位

但是这里面注意的就是说

因为芯片的那个有源钳位的驱动不够

所以需要外部再增加一个驱动

另外呢就是说他是一个

其实它是一个峰值电流和平均电流的

一个模式控制的一个联合

主要应该是一个平均电流控制

同时呢它有主边的一个峰值电流过流采样

就过流的一个识别

他分别在主边和副边都有采样电阻

另外呢就是说它有两个独立的一个 UVLO

针对于两个供电

因为 1999 是有两个供电的互相隔离的

一路供电是 12V

是给那跟前面的 1428

还有前面的 AFE 来共地的

另外有一个 12V 供电呢

是跟那个电芯地来共地的

这个主要是为了提供那给同步整流

这个这块电路进行一个供电

同时对返回信号进行一个处理

同时它也增加了一个主边和副边

电流的过流的一个识别

过压的一个识别

还有温度的 shutdown

还有一个看门狗

1999 它有一个 8 秒的一个看门狗

当你在开启这个主动均衡 8 秒之后

当你在开启这个主动均衡 8 秒之后

如果没有新的命令的话

它就会自动的去停止

这是为了防止 MCU 出现任何故障的时候

均衡能够及时的停止下来

不要出现问题

另外我们可以看一下

对于主动均衡来讲的话

它的效率是很高的

比任何一种其他的结构来讲的话更好一点

一般典型来讲的话

那个效率在充电方向

就是 Module 到 Cell这个方向的话

它的效率可以达到 88%

在另外一个方向 Cell 到 Module 一边

效率可以达到 86%

因为是对任何一个两个那个电池包

另外一个电池包来讲

从最高跟最低上来讲

它们的一个能量转换

任何两个之间就是需要两步

所以我们可以算出来任何两节之间的一个均衡

它的效率在 76% 左右

这是比较简单的

介绍一下主动均衡这个方案的

一些基本的一些技术细节

接下来的话我们还有一些可以看一下

TI 有些非常非常详细的一些资源

会给大家再介绍一下

谢谢

大家好

我们刚刚就是谈了 BQ76PL455 的

一些硬件软件的一些技术特性资源

还有一些设计的一些考虑

接下来我们一起谈一谈 TI 在主动均衡方面的

一些方案和技术的一些特点和细节

首先这套方案呢是一个

Pack to sell sell to pack的一个结构

当然这个就是说

也可以很轻易的更改成就可以

改成这个 Cell 跟外部总线之间的一个均衡

这样子的话

因为我们考虑到作为一个

EV 或者 HEV 的一个 BMS 系统来讲的话

它的模组是很多的

那这个时候呢

如果仅仅是对那一个模组之内进行均衡

其实并不能实现对于整电池包的一个

电池组的一个均衡

当我们把这个结构修改成对外部的一个总线

或者说对第三方电池进行均衡的话

我们可以把这个组内

跟组间的一个均衡可以统筹起来

这样就可以兼顾

整个包的一个均衡的一个情况

同时电路的改变也是非常小的

从这个结构上来讲的话

充电方向它是从 Cell 往 module

或者总线上面去进行一个放电

然后放电呢就是说

是整个包 Cell 上面来进行充电

当然是看新的电压到底是高还是低了

同时呢这个组这个方案组呢

跟主机 MCU 这边的一个联系

主要走的是 SPI 接口

我们可以从这个框图里面可以看出来

一个 1428 对一个 1499 其实是一个Chipset

当然我们也可以更优化一下

作为一个成本的更多的考虑

比如说二对一两个 1428 对一个 1499

或者三个 1428 对一个 1499 都是可以的

同时我们可以看到这个 1428

它们的 SPI 接口是共地的

对我们的 MCU 的一个控制连接

是非常非常方便的

所以呢从控制接口上面来讲的话

非常简单

首先呢就是说 SPI 这是直接

可以连到这个 EMB1428

MCU 可以通过这个 SPI 接口来控制

我要均衡哪个 Cell

同时呢我是要放电还是充电

然后呢 1428 内部呢有内嵌的一个识别

可以识别那种非法的一些命令

或者是你连续发命令的时候

它有一个竞争可以知道

它一个执行哪一个一个命令

1499 呢就是说它的内部呢

除了这个双向 DC/DC 控制之外

它还有比较充分的一个故障的一个识别

比如说过压欠压过流

还有温度的门限

还有 Timeout

或者是说电流的一个 ramp-down

所有的这些故障

它都是有相应的故障码

可以返回给到那个 EMB1428

然后呢 1428 可以通过 SPI

把这些故障码返回到主 host 或 MCU 这边

所以 MCU 这边可以很轻易的就可以知道

这个主动性这个模块到底出了什么问题

对那个 MCU 的要求也非常非常低

所以从这个信号来讲的话

我们可以看出来在 EMB1428 跟 99 之间

它们是有固定的就是说是通讯的一个线在里面

包括 EN DIR 这是 1428 控制 1499 的

控制它的一个开启和它的那个充放电方向

同时 DIR_RT 是做一个校验

提供一种安全机制

就是说我会校验 1499 有没有

正确收到充放电方向的一个指令

然后 DONE 信号呢是 1499 在关闭的时候

会发给 1428

告诉 1428 所有的 DC/DC

已经可靠的进行关闭了

这时候可以进行通道的一个切换

或者其他的一些操作了

当然 FAIL 是三根线

它可以把这个故障码告诉 1428

所以下面呢

我们再看看 1428 的详细的一个结构

一个 1428 呢

它是集成了 12 路的一个

N 管的一个驱动

专门应用于 BMS 系统

而且就是说它的那个执行

完成由 SPI 来决定的

SPI 告诉 1428 说我要

给哪一个 cell 通道进行一个均衡

把这个命令发过来之后

1428 会自动的把相应的一些开关通道的

开关打开 不相关的开关都是闭合都是关闭的

一旦就是说收到一个 stop 命令的话

那这个芯片就会自动进入一个睡眠状态

这时候的功耗小于 1uA

就是说所有的开关

把它就是配置好的话

这个周期是小于 1ms 的

所以这是非常迅速的

对于我们软件的时候

编写来讲的话是非常方便的

而对 1499 来讲的话

它就是一个比较纯粹的一个 PM 控制器

但是呢这个 PM 控制器可以支持

双向的一个 DC/DC 转换

然后呢就是说在正向方向来讲的话

我们可以从这个框图上

非常明确地可以看出来

正向方向的话

就是从那个总线或者是包往 Cell

这个方向就是一个典型的

一个 forward 结构

只不过它前面采用的是一个

有源嵌位的一个 forward

然后呢次级是采用了一个同步整流

所以这样子的话呢

就是说它可以达到一个比较高的一个效率

而在反方向的话

就是说它是一个 Boost

其实这也是因为 Buck 电路跟 Boost 电路

是一个互相转换的

所以 forward 转出来就是一个

Boost 就是一个隔离的 Boost

然后呢就是它的均衡的一个电流

是可以非常方便的可以通过VSET

这一个管脚的电压设定的

均衡电流到底是多少

这个方案呢就是说他只做恒流的一个控制

就是说它时时刻刻都保持的均衡电流

等于你设定的一个电流

所以对 EMB1499 来讲

它主要的一些功能

包括了一个双向的一个充电

这是一个主要

另外呢就是一个是同步整流

然后它的开关频率是固定的

250k 的一个开关频率

额外呢就是它输出了一路 PWM 输出

去控制一个有源钳位

但是这里面注意的就是说

因为芯片的那个有源钳位的驱动不够

所以需要外部再增加一个驱动

另外呢就是说他是一个

其实它是一个峰值电流和平均电流的

一个模式控制的一个联合

主要应该是一个平均电流控制

同时呢它有主边的一个峰值电流过流采样

就过流的一个识别

他分别在主边和副边都有采样电阻

另外呢就是说它有两个独立的一个 UVLO

针对于两个供电

因为 1999 是有两个供电的互相隔离的

一路供电是 12V

是给那跟前面的 1428

还有前面的 AFE 来共地的

另外有一个 12V 供电呢

是跟那个电芯地来共地的

这个主要是为了提供那给同步整流

这个这块电路进行一个供电

同时对返回信号进行一个处理

同时它也增加了一个主边和副边

电流的过流的一个识别

过压的一个识别

还有温度的 shutdown

还有一个看门狗

1999 它有一个 8 秒的一个看门狗

当你在开启这个主动均衡 8 秒之后

当你在开启这个主动均衡 8 秒之后

如果没有新的命令的话

它就会自动的去停止

这是为了防止 MCU 出现任何故障的时候

均衡能够及时的停止下来

不要出现问题

另外我们可以看一下

对于主动均衡来讲的话

它的效率是很高的

比任何一种其他的结构来讲的话更好一点

一般典型来讲的话

那个效率在充电方向

就是 Module 到 Cell这个方向的话

它的效率可以达到 88%

在另外一个方向 Cell 到 Module 一边

效率可以达到 86%

因为是对任何一个两个那个电池包

另外一个电池包来讲

从最高跟最低上来讲

它们的一个能量转换

任何两个之间就是需要两步

所以我们可以算出来任何两节之间的一个均衡

它的效率在 76% 左右

这是比较简单的

介绍一下主动均衡这个方案的

一些基本的一些技术细节

接下来的话我们还有一些可以看一下

TI 有些非常非常详细的一些资源

会给大家再介绍一下

谢谢