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荊州電動自行車BMS中隔離接口


隨著電動自行車新國標的執(zhí)行,鋰電池開始加速進入市場。更因為快遞、外賣、共享電動單車等行業(yè)的蓬勃發(fā)展,市場對于電動自行車的需求日益增長,政策發(fā)展與市場需求的同時刺激給鋰電池及其配套的BMS系統(tǒng)帶來了巨大的市場空間。鋰電池替代鉛酸電池給現(xiàn)有的市場供需格局帶來重大變化,不僅在產(chǎn)品和技術端,而且還在于整個供應鏈體系與商業(yè)模式、運營模式。

本文將帶大家一起了解下BMS應用中的隔離接口產(chǎn)品的解決方案。工業(yè)BMS分三類,電動車BMS系統(tǒng),通信基站BMS系統(tǒng)以及大型儲能BMS系統(tǒng)。其中,電動車BMS系統(tǒng)還包含電動自行車、電動摩托車、電動滑板車等,通信基站BMS系統(tǒng)包含基站備用電源、機房備電等,大型儲能BMS方面包含集中式儲能和工廠儲能。以上提到的這幾部分都有隔離接口的需求。

2019年新國標的關注點是整車質(zhì)量小于或等于55kg,蓄電池電壓小于等于48V,這兩點加速了鉛酸替代鋰電的進程。隨著新國標對整車質(zhì)量限制方案實施,電動自行車鋰電BMS需求快速上升。近年來,中國的電動自行車產(chǎn)量穩(wěn)定在3千多萬,鋰電池的滲透率在隨后幾年將快速上升,預計2020年會有約千萬級別鋰電池包的出貨量,其中60V/72V電摩BMS預計占30%,48V電單車BMS占70%。未來幾年動車鋰電BMS的滲透率將會非常高,相應BMS需求也會對應增加。

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中國電動自行車出貨量和鋰電滲透率

下圖是一個非常典型的電動車系統(tǒng)。模擬前端AFE是用來監(jiān)控每節(jié)電池的電壓、電流及溫度的信息,可在必要時進行一些保護動作。MCU是保護充電控制。根據(jù)充放電開關MOS管的位置不同,有高邊驅(qū)動及低邊驅(qū)動兩種形式。高邊驅(qū)動優(yōu)勢在于電池包和ECU共地,當高邊開關關斷時485/CAN 通信仍保持正常,其缺點是高邊開關需要高壓PMOS,成本高、體積大、 RDSon大、充放電時發(fā)熱嚴重。而低邊驅(qū)動優(yōu)點是低邊開關使用低壓NMOS器件,成本低、體積小、RDSon小、使用中發(fā)熱量小,它的缺點則是接口需要隔離才能確保開關關斷時正常通信。

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高邊驅(qū)動與低邊驅(qū)動的對比

下面是電動自行車36V- 48V的低邊驅(qū)動的典型系統(tǒng)框圖,里面會用到納芯微隔離電源和485/CAN隔離產(chǎn)品。對應的應用有電動自行車,電動滑板車和電動助力車。

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電動自行車BMS 10s~13s/36V~48V的系統(tǒng)對應框圖

電動摩托車和電動輕便摩托車用鋰離子電池標準于2019年4月實施,電摩通訊速率要達到500bps左右。此時想使用低成本光耦是不現(xiàn)實的,因為光耦的成本會隨通信速率的上升而成倍增加。下圖是對應16-20串的電池包系統(tǒng),除隔離電源外,還有隔離I2C和CAN接口隔離方案。另外,此方案還適用于商用三輪車等系統(tǒng)。

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電摩BMS 16s~20s/60~72V系統(tǒng)(雙AFE)對應框圖

基站備電對安全可靠性的要求非常高,基站備電系統(tǒng)一般使用磷酸鐵鋰電芯,較三元鋰單節(jié)電芯電壓低,標稱值為3.2V,故一般為15s或16s系統(tǒng),使用單個AFE,系統(tǒng)類似于前述電動自行車BMS。

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基站備電BMS 15s~16s/48V系統(tǒng)

大型儲能系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng),系統(tǒng)較為復雜,需要多串AFE級聯(lián),對可靠性安全性要求更高。一般使用高精度的AFE對電池進行監(jiān)控,AFE之間用菊花鏈級聯(lián),使用變壓器或電容進行隔離通信。AFE與MCU之間通過UART或SPI或I2C通信,同時還有FaultN和WAKEUP信號,一般需要4~6通道隔離。另外,總線電壓和電流采樣部分,需要單端和差分隔離運放來實現(xiàn)信號采樣,如用分立方案,一般需用到2~4通道隔離。

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大型儲能BMS系統(tǒng)對應框圖