新國標對電動(dòng)自行車(chē)的技術(shù)要求作了較大調整：

 

1. 增加了防篡改要求，防止產(chǎn)品出廠(chǎng)后被違規改裝；

2. 最高時(shí)速由20公里提高到25公里；

3. 電機功率從240W提高到400W；

4. 含電池在內的整車(chē)質(zhì)量由40公斤調整為55公斤

5. 強化了騎行能力要求，電動(dòng)自行車(chē)必須具有腳踏騎行功能。

 

數據來(lái)源：SMM工信部

 

這個(gè)標準從速度，重量等方面強調了電動(dòng)自行車(chē)的非機動(dòng)車(chē)屬性，特別是是否具有腳踏騎行能力這一點(diǎn)，把此前比較混淆的電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)完全區分開(kāi)來(lái)，從使用上來(lái)說(shuō)，電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)將適用比電動(dòng)自行車(chē)更嚴格的交通法規，比如電動(dòng)摩托車(chē)必須上機動(dòng)車(chē)牌照，駕駛人員要求持有駕駛證，只能在機動(dòng)車(chē)道行駛等，這將大大有助于改善交通秩序，減少交通事故，從這個(gè)角度來(lái)看，電動(dòng)自行車(chē)新國標為電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)的長(cháng)遠健康發(fā)展奠定了規范。

 

電動(dòng)自行車(chē)新國標中限定了整車(chē)的最大重量不超過(guò)55公斤，雖然沒(méi)有明確規定禁止使用鉛酸電池，但實(shí)際上限定了鉛酸電池只能應用在續航里程較短的電動(dòng)自行車(chē)，客觀(guān)上鼓勵大家采用鋰電池。鉛酸電池對環(huán)境的危害已經(jīng)是共識，去年就有人大代表提議禁止鉛酸電池的使用。目前中國每年生產(chǎn)3200多萬(wàn)輛電動(dòng)自行車(chē)，但由于鋰電池的購買(mǎi)成本比較高，目前的滲透率還不到12%，新國標的發(fā)布必將加快鋰電池在電動(dòng)自行車(chē)上的應用。實(shí)際上，由于鋰電池的使用壽命是鉛酸電池的2~3倍以上，鋰電池的平均使用成本已經(jīng)與鉛酸電池相當，隨著(zhù)鋰電池產(chǎn)能的釋放，其成本在未來(lái)三年還有30~40%的下降空間，因此可以預計，5年內鋰電池將會(huì )占據電動(dòng)自行車(chē)的大部分市場(chǎng)。

 

相比于鉛酸電池，鋰電池在過(guò)電壓，欠電壓，過(guò)電流，過(guò)溫等條件下易受到損壞，因此必須為鋰電池配以相應的充電管理電路與監控保護（BMS）電路,才能安全使用。鋰電池在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)上的大量使用，必將帶動(dòng)鋰電池BMS系統的需求高速增長(cháng)。電動(dòng)自行車(chē)新國標中規定蓄電池標稱(chēng)電壓≤48V，最大輸出電壓≤60V，這就規定了電動(dòng)自行車(chē)最高的電芯串聯(lián)數量：48/3.0=16 (磷酸鐵鋰電池電芯的標稱(chēng)電壓通常為3.0V或3.2V)，如果采用三元或錳系鋰電池的話(huà)，最高電芯串聯(lián)數為48/3.7=13，市場(chǎng)上常用的電芯串聯(lián)數為7、10、13、15、16，純硬件的鋰電池保護方案具有成本低、使用靈活的優(yōu)點(diǎn)，目前是電動(dòng)自行車(chē)BMS系統的主流方案。

 

由于不具有腳踏騎行能力，按照電動(dòng)自行車(chē)新國標的規定，此前比較流行的電動(dòng)踏板車(chē)將會(huì )被歸入到電動(dòng)摩托車(chē)的范疇。因此，未來(lái)電動(dòng)摩托車(chē)的市場(chǎng)比例將會(huì )顯著(zhù)提高。從電池管理系統的發(fā)展來(lái)說(shuō)，結合2018年9月發(fā)布，2019年4月1日開(kāi)始實(shí)施的電動(dòng)摩托車(chē)和電動(dòng)輕便摩托車(chē)用鋰離子電池國家推薦標準（GB/T 36672-2018，暫未強制執行）規定電動(dòng)摩托車(chē)應具有對單體電芯的電壓、溫度，蓄電池總電壓、電流、充放電次數、最大充電電流數據采集并有限度保存，這就要求電動(dòng)摩托車(chē)的BMS系統具有采集電壓、電流、溫度的能力，純硬件保護方案不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，因此，具有模擬前端與保護功能的電池監控方案將會(huì )得到更廣泛的應用。電動(dòng)摩托車(chē)和電動(dòng)輕便摩托車(chē)用鋰離子電池國家推薦標準要求電池管理系統與整車(chē)控制器、電機控制器、充電機的通訊要采用CAN通訊協(xié)議，因此，電動(dòng)摩托車(chē)將來(lái)會(huì )更多的采用CAN 驅動(dòng)器與隔離器，相應的也就需要為此配備相應的隔離電源。而電動(dòng)自行車(chē)新國標并沒(méi)有這些要求，因此電動(dòng)摩托車(chē)將采用比電動(dòng)自行車(chē)更復雜的BMS系統。目前，大多數電動(dòng)踏板車(chē)與電動(dòng)摩托車(chē)采用的還是鉛酸電池，雖然GB/T 36672-2018并沒(méi)有在重量等方面限制鉛酸電池的使用，但是目前的鉛酸電池管理系統通常不具備采集電壓、電流、溫度與通訊的能力，在符合國標要求方面，鋰電池仍然具有優(yōu)勢。GB/T 36672-2018 還對電動(dòng)摩托車(chē)蓄電池的額定電壓做了推薦，48V/60V/72V/84V/96V/144V, 目前市場(chǎng)上主流的是48V/60V/72V，因此常用的電芯串聯(lián)數為13、16、17、20、24串。

 

總結一下，電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)新國標的執行對市場(chǎng)的影響主要體現在：

 

1. 鋰電池將會(huì )取代鉛酸電池成為電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)蓄電池的主流

2. 電動(dòng)踏板車(chē)將會(huì )歸入電動(dòng)摩托車(chē)的范疇，從而增加電動(dòng)摩托車(chē)的市場(chǎng)總量

3. 由于電動(dòng)摩托車(chē)新標準的要求（暫未強制執行），具有單體電芯電壓、溫度等信息采樣能力的鋰電池管理方案將是主流

4. 由于電動(dòng)摩托車(chē)新標準的要求（暫未強制執行），CAN總線(xiàn)將會(huì )得到廣泛應用，相應的隔離與低靜態(tài)功耗的高壓DC-DC也將得到廣泛應用

 

如下是電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)電池包BMS系統的典型系統框圖，除灰色標注的電池，溫度、電流檢測電阻，保險絲外 （標黃色的芯片是可選功能），TI可以為電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)提供完整的解決方案，并得到廣大品牌客戶(hù)的認可。

 

 

從上圖可以看出， 從功能上可以把BMS系統分為以下部分：

 

1. 電池信息采集，計量與保護電路

2. 電源管理電路

3. CAN總線(xiàn)隔離驅動(dòng)電路 （電動(dòng)摩托車(chē)用）

4. MCU （本文暫不細述）

 

下面為大家詳細介紹TI重點(diǎn)推薦的相關(guān)芯片。

 

電池信息采集，計量與保護電路

 

此電路包含電池電壓采樣用的模擬前端及保護芯片BQ76930或BQ76940, 電池電量計量芯片BQ78350或BQ34Z100， 二級保護芯片BQ7718，高壓側MOS驅動(dòng)芯片BQ76200。

 

1. 模擬前端及保護:BQ76930, BQ76940

 

BQ76930支持6~10節電芯級聯(lián)的應用，BQ76940支持9~15節電芯級聯(lián)的應用， 它們能夠精確采集每一級電芯的電壓，電池包的電流以及電芯或MOS的溫度，在過(guò)壓、欠壓、過(guò)溫、過(guò)電流與短路故障情況下控制充放電MOS對電池進(jìn)行保護，并通過(guò)中斷信號通知控制器。電壓，電流，溫度保護的閾值由控制器在系統上電時(shí)通過(guò)I2C進(jìn)行設置后，BQ76930與BQ76940可以提供完備的硬件保護功能。BQ76930與BQ76940集成了5mA的內部均衡電路，如果需要較大的均衡電流，可以采用外部均衡電路提供大于50mA的均衡電流，客戶(hù)可以通過(guò)軟件設計自己的均衡控制策略（相鄰的兩個(gè)電芯不能同時(shí)做均衡）。BQ76930與BQ76940集成了14位高精度的電壓、溫度采樣ADC以及獨立的16位高精度電流采樣ADC， 可以通過(guò)I2C將這些數據傳送給MCU或配套的電量計芯片BQ78350，從而得到高精度的電池電量信息。MCU也可以通過(guò)設置BQ78350的參數為系統提供軟件保護功能 。

 

BQ76930與BQ76940還可以通過(guò)級聯(lián)的方式支持更多電芯級聯(lián)的應用，可參考下圖：

 

 

部分電動(dòng)摩托車(chē)采用16或17串電池，也可以通過(guò)外部電路采用低靜態(tài)電流的運放TLV2401/LM2904對BQ76940的通道數進(jìn)行擴展來(lái)實(shí)現。

 

 

2. 電池電量計量:BQ78350, BQ34Z100，BQ34110

 

客戶(hù)在使用電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)時(shí)，常常會(huì )需要了解電池電量的狀態(tài)，以便于合理規劃行程，防止在行駛過(guò)程中突然遇到電池斷電的情況，一個(gè)高精度的電量計可以有效提高用戶(hù)體驗。

 

BQ78350通過(guò)I2C總線(xiàn)與Q76930或BQ76940通訊，以獲得每一級電芯的電壓，電芯的溫度以及電池包的電流， 并采用CEDV算法精確計算電池包的電量狀態(tài)以及健康狀況。在BQ76930與BQ76940的硬件保護的基礎上，BQ78350可以進(jìn)一步提供軟件保護與二級保護功能，更加便利的均衡控制。此外， BQ78350還具有黑匣子、SHA-1加密與LED指示功能。BQ78350還提供SMBus接口以便于與外部系統通訊。

 

BQ34Z100支持1~16節電芯級聯(lián)的應用，與BQ78350不同，BQ34Z100不檢測每一級電芯的電壓，而是利用分壓電阻檢測整個(gè)電池包的平均電壓，并采用TI專(zhuān)利的阻抗跟蹤算法精確計算電池包的電量狀態(tài)以及健康狀況，此外， BQ34Z100還提供 SHA-1加密與LED指示功能。BQ34Z100應用相對簡(jiǎn)單，可與各種模擬前端或硬件保護方案配合使用。

 

對于磷酸鐵鋰電池，由于電芯的放電曲線(xiàn)比較平緩，電壓采集的精度對阻抗跟蹤算法的計量精度的影響比較大。BQ34110與BQ34Z100類(lèi)似，但是采用CEDV算法，適用于磷酸鐵鋰電池的應用場(chǎng)合。

 

3. 二級保護: BQ7718

 

為了確保鋰電池的安全，通常在基本的過(guò)壓、過(guò)流等保護電路之外，電池管理系統還要求采用獨立的二級保護電路，在一級保護電路失效的時(shí)候，熔斷保險絲，避免鋰電池在過(guò)壓等惡劣條件下造成安全事故。其中，最重要也最常見(jiàn)的是二級過(guò)電壓保護。

 

BQ7718支持2~5節電芯串聯(lián)，但是也可以采用如下方法級聯(lián)，支持高達20節電芯級聯(lián)的應用。BQ7718電壓精度高達10mV, 功耗小于1uA, 可靠性高，得到了廣大客戶(hù)的認可。

 

 

4. 高壓側MOS開(kāi)關(guān)管驅動(dòng):BQ76200

 

如前面的框圖所示，電池保護系統通過(guò)對充電與放電開(kāi)關(guān)的控制實(shí)現對鋰電池的保護，通常充電與放電開(kāi)關(guān)（通常采用MOS）被放置在電池包的負極（地線(xiàn)） ，這種方式在布線(xiàn)和散熱方面具有優(yōu)勢。但是對于具有電量計與電池狀態(tài)監控功能的應用來(lái)說(shuō)，當充電或放電開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于地線(xiàn)連接被斷開(kāi)，外部系統無(wú)法與電池內部的管理系統直接通訊，因此必須采用隔離電路才能讀取故障信息等。如果如下圖所示，將充電與放電開(kāi)關(guān)放在電池包的正極，則不需要隔離電路，外部系統就可以與電池內部的管理系統通訊，這就需要為充電與放電開(kāi)關(guān)MOS （通常是N-MOS，阻抗低，成本低）提供一個(gè)驅動(dòng)電路，BQ76200就是一個(gè)簡(jiǎn)潔可靠的選擇。

 

 

BQ76200最高耐壓100V，可以應用于3~15S的鋰離子電池包或3~17串的磷酸鐵鋰電池包。BQ76200還集成了P-MOS驅動(dòng)功能，可以很方便地實(shí)現對電池包的預充或預放功能。

 

5. 電源管理電路

 

a. 高壓降壓電路LM5164/LM5165

 

電池管理系統除了模擬前端或二級保護芯片外，通常還有電池計量，MCU與隔離通訊電路， 這些器件通常需要2.5~5V的供電電壓，因此需要采用降壓電路將電池電壓轉換為2.5~5V的低電壓電源為他們供電。由于電池包在儲存，運輸的過(guò)程中，常常很長(cháng)時(shí)間得不到充電，但是鋰電池管理電路會(huì )持續消耗電能，這樣就有可能造成鋰電池過(guò)度放電，甚至損壞，但是，由于安全的原因，鋰電池管理電路是不能關(guān)閉的。在需要長(cháng)期儲存的條件下，為了降低系統的功耗， 通常會(huì )將鋰電池管理系統的MCU設置在休眠狀態(tài)，同時(shí)需要把電源系統的靜態(tài)電流降到0.1mA以下，甚至更低。開(kāi)關(guān)模式的高壓電源的靜態(tài)電流通常較高， 因此客戶(hù)通常會(huì )采用LDO(比如TPS7A4001)的方式為MCU供電，但是由于LDO的效率很低 （~10~15%），這又會(huì )導致發(fā)熱等問(wèn)題。TI近期推出的高壓同步降壓電源方案LM5164/LM5165 靜態(tài)電流低至10uA，同時(shí)提供>80%/90%高效率。LM5165耐壓65V， 最大輸出電流150mA，可用于給MCU與電量計芯片以及通訊接口供電；LM5154耐壓100V，最大輸出電流1A,還可以為外置的USB接口提供電源，便于為手機等提供應急電源。

 

b. 隔離電源SN6501

 

CAN,RS485等總線(xiàn)的隔離都離不開(kāi)隔離電源, TI推出的SN6501是一個(gè)單芯片隔離電源方案，采用推挽式架構驅動(dòng)隔離變壓器，可為3.3V/5V總線(xiàn)提供150~350mA的電流。相比傳統的隔離電源，SN6501不需要啟動(dòng)電路與電壓反饋電路，架構非常簡(jiǎn)單，頻率可高達360~410KHz，因此可采用小體積的變壓器，外部電路很少，整體體積與成本大大降低。SN6501內部集成了死區保護功能， 50~100mA 負載條件下，效率可高達85%左右。

 

 

c. FLY-BUCK 隔離電源LM5018/LM5019

 

相比于LM5164/LM5165+SN6501的電源架構，FLY-BUCK架構的隔離電源只需要一顆電源芯片，具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但在靜態(tài)功耗，輸出電壓的精度，電源間的相互干擾方面較差。LM5018/LM5019都是支持FLY-BUCK架構的100V耐壓電源方案。其工作原理如下所示：

 

 

d. 帶看門(mén)狗功能的定時(shí)器TPL5010

 

因為要監控系統的安全，BMS系統的MCU工作時(shí)是不能關(guān)機的，但是MCU的工作電流通常都比較大 （>1mA），因此為了降低電池閑置狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)功耗，必須讓MCU進(jìn)入待機模式，但是也要能定期喚醒，以便監測電池的狀態(tài)，這就需要用到定時(shí)器了。

 

TPL5010可以提供100ms~7200s時(shí)間間隔的定時(shí)器，通過(guò)外部電阻可以靈活設置，精度為1%，靜態(tài)功耗只有35nA。此外，TPL5010還集成了看門(mén)狗的功能，以避免MCU 程序跑飛時(shí)造成嚴重安全后果，EN50271等標準對此已有要求。

 

 

6. 隔離通訊

 

根據新國標的要求，電動(dòng)摩托車(chē)需要配備CAN總線(xiàn)接口。CAN總線(xiàn)是使用差分電壓信號的半雙工異步串行通訊協(xié)議，具有優(yōu)先級管理，仲裁等復雜的機制以保障通訊的可靠性，而 MCU的通訊通常采用高低電平邏輯的方式傳輸數據，因此，電動(dòng)摩托車(chē)電池需要采用CAN總線(xiàn)收發(fā)器， 比如TCAN1042。大多數的電動(dòng)車(chē)電池將充放電MOS放在低壓側，當電池進(jìn)入保護狀態(tài)后，充放電MOS會(huì )斷開(kāi)，這就導致電池保護板的地電壓與外部設備的地電平間可能會(huì )產(chǎn)生較大的電勢差，從而造成損壞。而且對于帶有通訊接口的電池，由于電池內部存在高電壓，存在觸電或損壞外部設備的可能。因此，通訊接口應具有隔離功能，TI 也有集成了收發(fā)器與隔離功能的CAN總線(xiàn)收發(fā)器ISO1042、ISO1050等。另外，如前所述，對于大于15S的電池，可以采用2個(gè)BQ76930級聯(lián)的架構，上端的BQ76930需要通過(guò)一個(gè)I2C 隔離器與MCU進(jìn)行通訊，比如ISO1540/ISO1541。TI的隔離器件采用容性隔離技術(shù)，具有整體方案體積小，速度快，功耗低，抗干擾能力強，能耐受高溫環(huán)境，壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。

 

a. TCAN1042

 

TCAN1042系列滿(mǎn)足ISO1188-2標準，支持2Mbps通訊速率，最高可以支持5Mbps通訊速率。CAN總線(xiàn)支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受+/-58V或+/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，TCAN1042支持3.3V/5V邏輯電平與MCU通訊，環(huán)路延時(shí)低于110ns。TCAN1042可設置為standby模式，最低功耗可低至0.5~5uA, 并且可以通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊喚醒。

 

 

如果采用3.3V的CAN總線(xiàn)邏輯電平，TCAN334可實(shí)現與TCAN1042類(lèi)似的功能，但是CAN總線(xiàn)耐壓值會(huì )降低到+/-14V.

 

b. ISO7721

 

CAN總線(xiàn)通常都要求隔離，可以采用ISO7721與TCAN1042配合的方式來(lái)實(shí)現。ISO7721支持2.5V/3.3V/5V邏輯電平通訊，隔離等級>3000V或5000V （兩種不同封裝），通過(guò)了UL, VDE, TUV, CSA, CQC認證。ISO7721支持最高100Mbps通訊速率，環(huán)路延遲11ns.

 

 

c. ISO1042

 

為了減少方案的體積并簡(jiǎn)化設計，通常將CAN總線(xiàn)收發(fā)器與隔離功能集成在一起，比如ISO1042。

 

ISO1042滿(mǎn)足ISO1188-2標準，通過(guò)了UL, VDE, TUV, CSA, CQC認證，支持2Mbps通訊速率，最高可以支持5Mbps通訊速率。CAN總線(xiàn)支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受 +/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，隔離等級5000V 。ISO1042支持1.8V/2.5V/3.3V/5V邏輯電平與MCU通訊，環(huán)路延時(shí)低于160ns。ISO1042集成了總線(xiàn)短路等保護功能以保障芯片的安全。

 

 

d. ISO1541

 

如前所述，對于>15串電芯級聯(lián)的應用，可以采用2顆BQ76930或BQ76940級聯(lián)的架構，MCU或BQ8350需要讀取上端電芯的電壓等數據，但上端的BQ76930/BQ76940的地線(xiàn)電平與MCU不一致，因此需要通過(guò)隔離的I2C接口與MCU通訊， ISO1541是一個(gè)不錯的選擇。

 

ISO1541滿(mǎn)足UL1577標準，通過(guò)了UL, CSA, CQC，VDE認證，支持1Mbps雙向通訊速率。CAN總線(xiàn)支持5V邏輯電平，差分輸入電壓最高耐受 +/-70V, 共模耐壓范圍+/-30V，隔離等級2500V 。ISO1541支持3.3V/5V邏輯電平。

 

 

除了上述常用的芯片外，TI 還提供很多相關(guān)的產(chǎn)品以滿(mǎn)足各種不同應用的需求。

 

 

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