【導讀】在節(jié)能減碳的大背景下，全球能源結構正在發(fā)生深刻的變化，其中一個重要的標志就是，以鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）為代表的儲能技術，將在未來的能源基礎設施中扮演著重要的角色。
在節(jié)能減碳的大背景下，全球能源結構正在發(fā)生深刻的變化，其中一個重要的標志就是，以鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）為代表的儲能技術，將在未來的能源基礎設施中扮演著重要的角色。
在可以預見的未來，無論是驅動新能源汽車的動力電池，還是方興未艾的能源儲存系統(tǒng)中的儲能電池，都將迎來一個令人興奮的“牛市”。根據(jù)波士頓咨詢公司與中國汽車工程學會發(fā)布的聯(lián)合研究報告，預計到2030年，全球鋰電池的需求規(guī)模將達到4太瓦時（TWh）。
不可或缺的BMS系統(tǒng) 伴隨著鋰電池應用的發(fā)展，另一個技術的重要性也越發(fā)凸顯出來，這就是電池管理系統(tǒng)（BMS）。BMS通常會與鋰電池包集成在一起，作為管理和監(jiān)控鋰電池的中樞，監(jiān)控電池的狀態(tài)，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電等情況，確保電池安全可靠地工作，并盡可能延長電池的使用壽命。具體來講，BMS的主要功能包括： 狀態(tài)監(jiān)測 對電池組的SOC（荷電狀態(tài)）、SOP（功率狀態(tài)）和SOH（健康狀態(tài)）等狀態(tài)參數(shù)進行準確地測量和估算，為更優(yōu)的控制決策提供依據(jù)。 能量均衡 電池組中單個電池之間性能表現(xiàn)的差異，會對電池的壽命和系統(tǒng)的使用產生不良影響，能量均衡就是通過彌補電池個體之間的差異，確保其一致性，以延長電池組整體使用壽命。 保護功能 BMS通常會提供可靠的過充、過放、過流、過溫、低溫保護，以及多級故障診斷保護，以確保在發(fā)生故障時做出快速響應。 數(shù)據(jù)通信 通過有線或者無線方式，BMS可以與主控單元以及其他車載設備，或者是云端進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)更智能化的管理。
由此不難看出，BMS就是對鋰電池進行監(jiān)測、分析、控制、反饋的一整套自動化控制系統(tǒng)，是確保電池組高效和安全運作不可或缺的一環(huán)。隨著鋰電池市場的快速發(fā)展，BMS的應用版圖也在不斷擴大，如何打造出適應市場發(fā)展要求的BMS解決方案，也就成了一個核心課題。
圖1：通用汽車充電系統(tǒng)中，BMS是不可或缺的一環(huán)（圖源：Bourns）
BMS系統(tǒng)中的磁性元件 作為一個典型的功率電子系統(tǒng)，BMS的開發(fā)中自然少不了磁性元件的支撐。 磁性元件雖然看上去不起眼，卻是功率電子系統(tǒng)重要的組成要素之一，它們通常由繞組和磁芯構成，承擔著儲能、能量轉換及電氣隔離等工作。常見的磁性元件包括變壓器和電感器兩大類，前者主要扮演變壓、濾波、儲能的角色，后者則承擔著平滑電源信號、解決EMI噪聲等任務。 想要開發(fā)出一款優(yōu)秀的BMS方案，磁性元件的選型和應用是少不了的功課。 結合BMS的典型應用場景，比如車載動力電池組中BMS（如圖1）的設計需求，我們可以大體描畫出BMS設計中理想磁性元件的樣子：
高效率
通過先進的材料、設計結構和工藝，實現(xiàn)超低的DC電阻，提供更高的效率，這是衡量磁性元件性能優(yōu)劣的一個硬指標。
小型化
更緊湊的外形，可滿足當今功率電子系統(tǒng)更高頻率開關的要求，且能夠有效應對系統(tǒng)復雜性增加、設計空間受限等挑戰(zhàn)。
低EMI噪聲
磁性元件（如功率電感）工作時，會產生EMI噪聲，如何有效防止電磁波的“外泄”，是磁性元件設計和應用時的一個重要考量因素。
熱管理
一方面要通過提升效率減小熱應力的影響，另一方面要求元件自身具有更佳的溫度穩(wěn)定性，這對于功率系統(tǒng)整體的熱管理優(yōu)化大有裨益。
穩(wěn)健性和可靠性
確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，更大限度地延長產品壽命，這是鋰電池和BMS系統(tǒng)典型應用場景的要求。
安全性
由于鋰電池系統(tǒng)會采用高壓電池，因此需要有更多安全性方面的考量（比如高壓和低壓域之間的可靠隔離），以避免人員或電路受到安全威脅。這就需要磁性元件在實現(xiàn)更緊湊設計的同時，還要符合UL和IEC隔離、爬電距離和間隙等安全標準。
作為全球知名的元器件廠商，Bourns擁有超過50年的磁性元件開發(fā)經驗，可提供包括變壓器、功率電感、大電流共模扼流圈等在內非常豐富的磁性產品組合，滿足BMS系統(tǒng)設計中電源轉換、隔離、EMC、信號完整性和功率密度等規(guī)格要求。
在下文中，我們將向大家介紹三款來自Bourns的產品，借此一起探究高效、安全、可靠的功率系統(tǒng)設計，該選擇什么樣的磁性元件。
SRP大電流功率電感器 功率電感器是穩(wěn)壓器拓撲中的重要組件，在DC-DC轉換器中，每個調節(jié)電源的電路都需要一個電感器，以實現(xiàn)存儲能量、平順直流電源、濾除電路噪聲等作用。 具體到BMS的設計中，功率電感器的選型和應用面臨著三方面的挑戰(zhàn)：首先，它需要能夠滿足更大功率的要求，支持更大的電流；其次，還要有抑制EMI的能力，滿足汽車和工業(yè)應用環(huán)境中嚴苛的EMC設計要求；再有，在外形上也要更為緊湊，為有限空間應用設計提供更大的靈活性。 按照上述的設計要求選型，Bourns SRP系列大電流功率電感器無疑是一個理想的選擇。歸納起來，SRP系列功率電感器的“過人之處”體現(xiàn)在： 具有獨特的磁屏蔽結構，可以實現(xiàn)低EMI輻射，因此無需在電路系統(tǒng)中使用額外的屏蔽罩，節(jié)省空間和成本。 采用了扁平導線結構，有助于降低DCR電阻，實現(xiàn)更高的效率。 采用金屬合金粉末磁芯，支持大飽和電流，非常適合于大電流、高功率應用。 同時，扁平導線和粉末磁芯，也有利于實現(xiàn)更緊湊的外形，節(jié)省系統(tǒng)空間。 基于高溫分級材料制成，具有更出色的溫度穩(wěn)定性，支持高達150°C的工作溫度。 總而言之，SRP系列功率電感器采用了先進的材料和結構，可實現(xiàn)高效和超低DC電阻，以及緊湊高效的封裝（元件高度范圍從1mm至7mm），屏蔽式的設計還優(yōu)化了EMI特性——這對于BMS這種控制電路和功率電路毗鄰的設計，十分必要。可以說，SRP系列功率電感器集上述多種優(yōu)勢于一身，在BMS磁性元件選型時，是不可錯過的一顆料。
圖2：SRP大電流功率電感器（圖源：Bourns）
高效高安全性的隔離變壓器 在BMS設計中，推挽式隔離DC-DC轉換器因其出色的特性——如更穩(wěn)定的輸入電流、更少的輸入線路噪聲，以及高功率應用中的高效率——成為了一種常用的拓撲結構。想要實現(xiàn)推挽式低壓隔離DC-DC轉換器的設計，一款高效而安全的推挽式變壓器肯定少不了。 Bourns符合AEC-Q200標準的HCT系列電源變壓器，就是為此應用而生的。
圖3：HCT系列電源變壓器（圖源：Bourns）
HCT系列變壓器具有3.3V至5V的輸入范圍，并提供3.3V至15V、高達350mA的輸出，可配置為各種匝數(shù)比。該系列電源變壓器采用鐵氧體環(huán)形磁芯，具有高耦合系數(shù)和高效率。 特別值得一提的是，由于采用了創(chuàng)新的爬電距離路徑設計，在緊湊的封裝中增加了電流路徑長度，這種新型的電源變壓器雖然外形緊湊，外殼高度僅有6.5mm，卻可提供增強絕緣、至少8mm的電氣間隙/爬電距離，以及5kVAC的耐壓，能夠滿足高規(guī)格的高壓隔離要求。 圖4：HCT系列變壓器采用創(chuàng)新的爬電距離路徑設計，獲得了8mm的爬電距離（圖源：Bourns） 簡而言之，HCT系列高壓隔離推挽變壓器符合AEC-Q200、IEC 60950-1、IEC 62368-1以及IEC 60664-1等行業(yè)標準，為BMS中需要低直流功率與高壓隔離的場景提供了一種理想解決方案。
高性能BMS信號變壓器
從BMS的工作原理來看，它需要將電池狀態(tài)、數(shù)據(jù)和命令通過有線接口與主控CPU進行通信，這些數(shù)據(jù)和信息的交互，是BMS實現(xiàn)高效、可靠閉環(huán)控制的關鍵。不幸的是，鋰電池組的高電壓，加上應用環(huán)境（如電動汽車動力系統(tǒng)）中存在的大量電磁干擾，都會對BMS數(shù)據(jù)通信造成不良影響。為了實現(xiàn)BMS與主控CPU之間的可靠通信，就需要能夠提供高壓隔離和EMI抑制的BMS信號變壓器登場了。 Bourns的SM91501AL BMS信號變壓器是一款雙通道隔離變壓器模塊，支持串行菊花鏈/isoSPI，具有1600VDC工作電壓，4300VDC隔離電壓和-40°C至+125°C的擴展工作溫度范圍。該信號變壓器集成了用于噪聲抑制的共模扼流圈，能夠實現(xiàn)更佳的信號的完整性。 SM91501AL符合AEC-Q200標準和RoHS指令，并且已經應用在Analog Devices和NXP的多款BMS參考設計中，經過了實際應用的驗證，有助于節(jié)省開發(fā)時間并大幅降低設計風險。
圖5：SM91501AL BMS信號變壓器（圖源：Bourns）
本文小結 在可以預見的未來，BMS市場將伴隨著鋰電池應用的發(fā)展，進入一個快速上升通道，這也為相關的元器件帶來新的商機。對于功率電子系統(tǒng)中不可或缺的磁性元件，更是如此。 當然，能夠搭上BMS市場快車的磁性元件產品，需要滿足一系列特殊的設計要求，在效率、熱性能、EMI特性、小型化設計、可靠性和安全性等方面，必須有異于通用產品的突出優(yōu)勢。 Bourns依托數(shù)十年的專業(yè)積累，可以為BMS設計提供完整的磁性元件產品組合。通過本文的介紹，你應該能夠體會到：想要開發(fā)出高效、安全、可靠，具有競爭力的BMS產品，從中選出你心儀的物料，就對了！ 文章來源：貿澤電子
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