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电动自行车BMS中隔离接口

2021/02/07

随着电动自行车新国标的执行，锂电池开始加速进入市场。更因为快递、外卖、共享电动单车等行业的蓬勃发展，市场对于电动自行车的需求日益增长，政策发展与市场需求的同时刺激给锂电池及其配套的BMS系统带来了巨大的市场空间。锂电池替代铅酸电池给现有的市场供需格局带来重大变化，不仅在产品和技术端，而且还在于整个供应链体系与商业模式、运营模式。

本文将带大家一起了解下BMS应用中的隔离接口产品的解决方案。工业BMS分三类，电动车BMS系统，通信基站BMS系统以及大型储能BMS系统。其中，电动车BMS系统还包含电动自行车、电动摩托车、电动滑板车等，通信基站BMS系统包含基站备用电源、机房备电等，大型储能BMS方面包含集中式储能和工厂储能。以上提到的这几部分都有隔离接口的需求。

2019年新国标的关注点是整车质量小于或等于55kg，蓄电池电压小于等于48V，这两点加速了铅酸替代锂电的进程。随着新国标对整车质量限制方案实施，电动自行车锂电BMS需求快速上升。近年来，中国的电动自行车产量稳定在3千多万，锂电池的渗透率在随后几年将快速上升，预计2020年会有约千万级别锂电池包的出货量，其中60V/72V电摩BMS预计占30%，48V电单车BMS占70%。未来几年动车锂电BMS的渗透率将会非常高，相应BMS需求也会对应增加。

中国电动自行车出货量和锂电渗透率

下图是一个非常典型的电动车系统。模拟前端AFE是用来监控每节电池的电压、电流及温度的信息，可在必要时进行一些保护动作。MCU是保护充电控制。根据充放电开关MOS管的位置不同，有高边驱动及低边驱动两种形式。高边驱动优势在于电池包和ECU共地，当高边开关关断时485/CAN 通信仍保持正常，其缺点是高边开关需要高压PMOS，成本高、体积大、 RDSon大、充放电时发热严重。而低边驱动优点是低边开关使用低压NMOS器件，成本低、体积小、RDSon小、使用中发热量小，它的缺点则是接口需要隔离才能确保开关关断时正常通信。

高边驱动与低边驱动的对比

下面是电动自行车36V- 48V的低边驱动的典型系统框图，里面会用到纳芯微隔离电源和485/CAN隔离产品。对应的应用有电动自行车，电动滑板车和电动助力车。

电动自行车BMS 10s~13s/36V~48V的系统对应框图

电动摩托车和电动轻便摩托车用锂离子电池标准于2019年4月实施，电摩通讯速率要达到500bps左右。此时想使用低成本光耦是不现实的，因为光耦的成本会随通信速率的上升而成倍增加。下图是对应16-20串的电池包系统，除隔离电源外，还有隔离I²C和CAN接口隔离方案。另外，此方案还适用于商用三轮车等系统。

电摩BMS 16s~20s/60~72V系统(双AFE)对应框图

基站备电对安全可靠性的要求非常高，基站备电系统一般使用磷酸铁锂电芯，较三元锂单节电芯电压低，标称值为3.2V，故一般为15s或16s系统，使用单个AFE，系统类似于前述电动自行车BMS。

基站备电BMS 15s~16s/48V系统

大型储能系统属于高压系统，系统较为复杂，需要多串AFE级联，对可靠性安全性要求更高。一般使用高精度的AFE对电池进行监控，AFE之间用菊花链级联，使用变压器或电容进行隔离通信。AFE与MCU之间通过UART或SPI或I²C通信，同时还有FaultN和WAKEUP信号，一般需要4~6通道隔离。另外，总线电压和电流采样部分，需要单端和差分隔离运放来实现信号采样，如用分立方案，一般需用到2~4通道隔离。