为什么要用电池管理系统？开发电池管理解决方案时注意事项
来源：意法半导体博客
电池管理系统 (bms) 正悄然改变着电动交通工具。今年年初，意法半导体发布了l9963e电池监测保护芯片，旨在解决全球包括中国新能源汽车共同面临的电池管理系统设计难题。新产品采用一个独特的架构，能够测量4到14个串联电池单体，样本信号之间解除同步没有任何延迟，测试结果证明，虽然可以菊链式连接 31个l9963e，但是整链延迟仍然不到 4 µs。
然而，l9963e 远不只是一个简单的电压测量器或典型的库仑计算器，因此，我们还发布了一份白皮书深入探讨 bms 设计的复杂性。此外，为了进一步帮助工程师和决策者设计bms，我们还想探讨一下在开发电池管理系统时必须考虑的五个事项。
为什么要用电池管理系统？
bms 测量电池单体的电流和电压，并将信息发送给荷电状态 soc应用系统，确定电池的运行状态。在使用一段时间后，电池实际最大容量会降低。bms的测量数据可以计算电池的实际最大容量，帮助系统确定电池的健康状态 (soh) 和剩余使用寿命 (rul)，估算电池是否仍然在正常工作或者是否需要更换，并可以启用附加的电池优化功能。通过确定每个电池单体的 soc 和 soh状况，bms 可以均衡电池单体的充放电操作，确保所有电池单体损耗均匀一致，从而延长电池的使用寿命并得到更高性能。现在，l9963e 还在确保电池安全运行方面发挥着关键作用。
1.注意测量的准确度和速度
理解准确度
电动汽车中的动力电池包
一直以来，工程师首先关注的是 bms 的测量准确度。如果系统测量数据不准确，缺乏有价值的信息，用户将会有巨大的挫败感。因此，在bms 测量每个电池单体的状态时，准确度必须非常高，而且速度也必须非常快，否则，当芯片读完电池组的最后一个单体时，第一个单体的报告测量值已经不再准确，应用系统无法提供真实反映电池荷电状态的结果。
最大误差±2 mv
l9963e 的电压测量准确度非常高，最大误差为 ±2 mv，同时还能测量电流，了解每个电池单体的实际容量。此外，该产品的架构确保每个电池单体都有专门的资源用于处理芯片监测到的电数据，而市面同类产品通常在电池单体之间共享数据处理资源。通过为每个单体提供专用处理资源，我们可以提供同步读数，并可以避免因解除同步而引起的延迟。在菊链式网络结构内，l9963e 还可以通过串行总线通信，带宽达到2.66 mbps，而业内带宽大多数都徘徊在 1 mbps 左右。因此，读取和处理 434 个电池单体需要 4 毫秒到 16 毫秒。
2. 电池管理系统：注意安全性，这是重中之重
了解安全性
bms 安全性往往会被很多设计人员所忽视。bms系统的测量准确度有助于提高电池性能，还可以确定在电池上是否存在过压和欠压，或者是否出现过热或过流。如，在发生碰撞事故时，电动汽车必须能够判断电池参数不在正常安全值内，并立即启动电池关闭程序，否则会造成灾难性损失。
独特冗余
这些功能要求芯片具有很高的鲁棒性，即使在恶劣环境下仍能正常工作。防止读数错误也很重要，在汽车高速巡航时，读数错误会导致电池包关闭，这是非常危险的。l9963e 具有独特的冗余功能，能够交叉检查模数转换器 (adc)，确保转换结果准确无误。如果当前adc发生异常，l9963e可以强制相邻的 adc 接管异常adc 并排除故障。
3.注重性价比
eval-l9963e-mcu
随着电动汽车变得越便宜，成本制约因素变得越重要。功能强大但价格太高的芯片会失去大部分吸引力。与众不同的是，l9963e提供丰富的功能，但是没有增加裸片尺寸，继续保持成本效益。此外，传统的 bms芯片要求每个电池单体必须并联一个外部齐纳二极管。在组装过程中，系统无法知道哪个电池单体第一个接触连接器，而且，这始终是一个随机事件，因此，每个电池单体上的齐纳二极管都要保护电池管理芯片。l9963e采用热插拔和稳健架构，工程师可以不用这些齐纳二极管，从而简化了印刷电路板布局，降低了总体成本。
4. 两块评估板配合一个强大的 mcu，不仅可以开发原型，还能扩大视野
了解生态系统
成功的电池管理系统始于简易的概念验证。st 为 l9963e 提供两块评估板。第一块评估板 eval-l9963e-mcu包括一个微控制器，并带有图形用户界面软件 stsw-l9963e，可帮助开发人员更快地创建应用。第二块评估板eval-l9963e-nds插接在第一块板子上，可以菊花链连接多个l9963e评估板。
l9963e 与 spc58 chorus配合使用
eval-l9963e-nds
有许多客户都喜欢将 l9963e 与 spc58 chorus mcu搭配使用，因为应用需要保存 bms系统输出的大量数据点，这款微控制器具有6 mb 或更高的存储空间，可以满足该应用的全部存储需求，多核架构使开发人员能够专门指定一个核心处理电池管理任务，把其他核心分配给其他常见应用。这款mcu还有很多外设接口，包括6条flexcan总线，让整个设计更加灵活。
5.电池管理系统：关注未来，着眼现在
所有工程师在设计产品时都力图着眼于未来，但是，对于电池管理系统，设计不仅要考虑到明天的汽车，还要考虑到目前正在使用 bms 的所有新产品，如，电动自行车和踏板车，或便携式医疗设备等。l9963e 的应用灵活性较高，除传统电动汽车外，还适用于其他的很多设计。最少能够测量四个电池单体，10 毫米 x 10 毫米 tqfp64ep 小封装，以及成本效益，这些优点让一家企业可以使用相同的 st 器件轻松开发各种类型的车辆或应用，从而节省开发成本。
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近期会议
2022年5月24日，由act雅时国际商讯主办，《半导体芯科技》&chip china晶芯研讨会将在苏州·金鸡湖国际会议中心隆重举行!届时业内专家将齐聚姑苏，与您共探半导体制造业，如何促进先进制造与封装技术的协同发展。大会现已启动预约登记，报名链接：http://w.lwc.cn/s/zfrfa3
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《半导体芯科技》（silicon semiconductor china, sisc）是面向中国半导体行业的专业媒体，已获得全球知名杂志《silicon semiconductor》的独家授权；本刊针对中国半导体市场特点遴选相关优秀文章翻译，并汇集编辑征稿、国内外半导体行业新闻、深度分析和权威评论、产品聚焦等多方面内容。由雅时国际商讯（act international）以简体中文出版、双月刊发行一年6期。每期纸质书12,235册，电子书发行15,749，内容覆盖半导体制造工艺技术、封装、设备、材料、测试、mems、ic设计、制造等。每年主办线上/线下 chip china晶芯研讨会，搭建业界技术的有效交流平台。独立运营相关网站
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然而，l9963e 远不只是一个简单的电压测量器或典型的库仑计算器，因此，我们还发布了一份白皮书深入探讨 bms 设计的复杂性。此外，为了进一步帮助工程师和决策者设计bms，我们还想探讨一下在开发电池管理系统时必须考虑的五个事项。
为什么要用电池管理系统？
bms 测量电池单体的电流和电压，并将信息发送给荷电状态 soc应用系统，确定电池的运行状态。在使用一段时间后，电池实际最大容量会降低。bms的测量数据可以计算电池的实际最大容量，帮助系统确定电池的健康状态 (soh) 和剩余使用寿命 (rul)，估算电池是否仍然在正常工作或者是否需要更换，并可以启用附加的电池优化功能。通过确定每个电池单体的 soc 和 soh状况，bms 可以均衡电池单体的充放电操作，确保所有电池单体损耗均匀一致，从而延长电池的使用寿命并得到更高性能。现在，l9963e 还在确保电池安全运行方面发挥着关键作用。
1.注意测量的准确度和速度
理解准确度
电动汽车中的动力电池包
一直以来，工程师首先关注的是 bms 的测量准确度。如果系统测量数据不准确，缺乏有价值的信息，用户将会有巨大的挫败感。因此，在bms 测量每个电池单体的状态时，准确度必须非常高，而且速度也必须非常快，否则，当芯片读完电池组的最后一个单体时，第一个单体的报告测量值已经不再准确，应用系统无法提供真实反映电池荷电状态的结果。
最大误差±2 mv
l9963e 的电压测量准确度非常高，最大误差为 ±2 mv，同时还能测量电流，了解每个电池单体的实际容量。此外，该产品的架构确保每个电池单体都有专门的资源用于处理芯片监测到的电数据，而市面同类产品通常在电池单体之间共享数据处理资源。通过为每个单体提供专用处理资源，我们可以提供同步读数，并可以避免因解除同步而引起的延迟。在菊链式网络结构内，l9963e 还可以通过串行总线通信，带宽达到2.66 mbps，而业内带宽大多数都徘徊在 1 mbps 左右。因此，读取和处理 434 个电池单体需要 4 毫秒到 16 毫秒。
2. 电池管理系统：注意安全性，这是重中之重
了解安全性
bms 安全性往往会被很多设计人员所忽视。bms系统的测量准确度有助于提高电池性能，还可以确定在电池上是否存在过压和欠压，或者是否出现过热或过流。如，在发生碰撞事故时，电动汽车必须能够判断电池参数不在正常安全值内，并立即启动电池关闭程序，否则会造成灾难性损失。
独特冗余
这些功能要求芯片具有很高的鲁棒性，即使在恶劣环境下仍能正常工作。防止读数错误也很重要，在汽车高速巡航时，读数错误会导致电池包关闭，这是非常危险的。l9963e 具有独特的冗余功能，能够交叉检查模数转换器 (adc)，确保转换结果准确无误。如果当前adc发生异常，l9963e可以强制相邻的 adc 接管异常adc 并排除故障。
3.注重性价比
eval-l9963e-mcu
随着电动汽车变得越便宜，成本制约因素变得越重要。功能强大但价格太高的芯片会失去大部分吸引力。与众不同的是，l9963e提供丰富的功能，但是没有增加裸片尺寸，继续保持成本效益。此外，传统的 bms芯片要求每个电池单体必须并联一个外部齐纳二极管。在组装过程中，系统无法知道哪个电池单体第一个接触连接器，而且，这始终是一个随机事件，因此，每个电池单体上的齐纳二极管都要保护电池管理芯片。l9963e采用热插拔和稳健架构，工程师可以不用这些齐纳二极管，从而简化了印刷电路板布局，降低了总体成本。
4. 两块评估板配合一个强大的 mcu，不仅可以开发原型，还能扩大视野
了解生态系统
成功的电池管理系统始于简易的概念验证。st 为 l9963e 提供两块评估板。第一块评估板 eval-l9963e-mcu包括一个微控制器，并带有图形用户界面软件 stsw-l9963e，可帮助开发人员更快地创建应用。第二块评估板eval-l9963e-nds插接在第一块板子上，可以菊花链连接多个l9963e评估板。
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5.电池管理系统：关注未来，着眼现在
所有工程师在设计产品时都力图着眼于未来，但是，对于电池管理系统，设计不仅要考虑到明天的汽车，还要考虑到目前正在使用 bms 的所有新产品，如，电动自行车和踏板车，或便携式医疗设备等。l9963e 的应用灵活性较高，除传统电动汽车外，还适用于其他的很多设计。最少能够测量四个电池单体，10 毫米 x 10 毫米 tqfp64ep 小封装，以及成本效益，这些优点让一家企业可以使用相同的 st 器件轻松开发各种类型的车辆或应用，从而节省开发成本。
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《半导体芯科技》（silicon semiconductor china, sisc）是面向中国半导体行业的专业媒体，已获得全球知名杂志《silicon semiconductor》的独家授权；本刊针对中国半导体市场特点遴选相关优秀文章翻译，并汇集编辑征稿、国内外半导体行业新闻、深度分析和权威评论、产品聚焦等多方面内容。由雅时国际商讯（act international）以简体中文出版、双月刊发行一年6期。每期纸质书12,235册，电子书发行15,749，内容覆盖半导体制造工艺技术、封装、设备、材料、测试、mems、ic设计、制造等。每年主办线上/线下 chip china晶芯研讨会，搭建业界技术的有效交流平台。独立运营相关网站
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