朱玉龙

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2021-09-05

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奥迪电池管理系统解析

  1. 奥迪
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对于奥迪 E-tron,我总体的感受是:

奥迪在一个电池包里面用了太多的 MCU、CAN 收发器了,在芯片供应充分的情况下没问题,但在芯片紧缺的时候,要凑齐 15 个 MCU、14 个 SBC 和 16 + 以上的 CAN 收发器才能让这个电池包工作起来,困难被放大了;

奥迪在电池的使用策略方面,还是相对保守的,这也使得安全系数更高 —— 直接告诉用户总电量 95kwh,但出于安全的目的只开放 83.6kwh 的可用电量,其他 12% 被封存起来;

熔丝和继电器的配组,是将充电和放电分开,这样有利于处理不同状态下的短路,可以比较好地进行匹配;特别是在大电流充电下,熔丝规格可以选择调整搭配。

接下来展开说一下,供各位读者参考。

奥迪自己定义的一些内容

(1)为什么可用电池能量的比例这么低?

奥迪的几个电池系统都有这个问题,如下图所示 95kWh 的电池,可用能量 83.6kWh,这个和我们国内的可用能量比例的差异还挺大。

备注:E-tron 后续升级有一个 110kWh 的电池包

表 1 奥迪的电池系统 1AX2

实际在这份材料的定义中,是这么分配 83.6kWh 的 —— 在德国的工程师来看,4% 的上限和 8% 的下限,相当于有 12% 的电量是没办法使用的(对应 11.4kWh 的能量)。下面这张图可以看出,在 8% 的 SOC 状态下对驾驶者直接显示 0%,而 96% 则直接对应 100%。

图 1 奥迪的 SOC 使用策略

(2)BDU 的内部结构

这个 BDU 的设计结构图如下所示,主要包含后驱、前驱、快充和辅助配电等几个主要的接口。

图 2 奥迪 BDU 的设计

根据这里的数据,我们能看到以下信息:

预充电阻为 15 欧;

一共配置了 5 个直流接触器,一对快充接触器和一对主正主负和 PCC 的预充接触器;

熔丝的配置,是快充 Fuse 和快充基础一起进行匹配;

前驱和后驱分别和 MCP 和 MCN 主正和主负进行匹配,这样可以在快充和驱动短路的时候有针对性的设计熔断时间;

考虑到充电器和其他小熔丝熔断的可能性比较高,单独做了个 BJB 的 Fuse Box;

图 3 奥迪 BDU 的结构图的情况

电池管理系统的构成

图 4 奥迪的电池管理系统总体功能构成

在这里有好几块板子:

电池管理(由 Marquardt 和 Dräxlmaier 提供):我习惯叫 BMU,奥迪的叫法是 BMC,放在电池包外。

根据拆解信息来看,主芯片 MCU 为 SPC5746,电源芯片为 SBC MCZ33905(含一路 CAN 和一路 LIN),两路外 CAN 收发器为 TJA1051。2 路高边输出的芯片为 ST VN5E160S。BMU 里面还保留了一个 TI 的 MSP430G223

采样管理:我习惯叫 CMU,功能如下,1 托 3 并且使用 CAN 总线,这个习惯一直延续到 MEB 的设计中。在这里的均衡策略,是需要电池在 30% 的 SOC 状态下才能允许,并且在电池压差在 1% 的时候开始均衡

根据拆解信息来看,AFE 的芯片采用的是 MC33771,单片机采用了 SPC5602D,供电采用了 NXP 的 UJA1164,和 AFE 的隔离采用的是变压器 MU1228NL,AFE 的状态检测通过管够 ACPL K49L 进行输出。

BJB 电池高压管理(由 Draxlmaier 提供的):主要的目的是管理高压接触器,并且每隔 30s 进行绝缘检查

根据拆解信息来看,它的供电芯片为 SBC MC33908(继承了 CAN 收发器),主芯片 MCU 为 MPC5744P。继电器驱动采用高边开关 ST VND5160 和低边开关 ST ND7NV04。

做绝缘检测采用的是 ADC (Microchip 的 MCP3911),做高压检测采用了 LM2903 进行采样,内网的数据收发采用了 TJA1042 收发器。

小结:在这里我们可以做个简单的加法:不算 CVA 的 shunt,一共用了 15 个 MCU 芯片,14 个 SBC 芯片,还有一堆 CAN 收发器。对分布式通信系统而言,一台电动汽车的电池包系统对于 MCU 的消耗,基本够一台简单的传统车的使用了。

这也能从另一个侧面反映出,在芯片短缺方面,国内的状况比国外稍微好一点的情况。从总线和硬件技术架构里面,国内外的技术路线还是有差异的。

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