常见的电动两轮车 BMS 架构

Posted 2023-04-12 小飞哥玩嵌入式

1、摘要

近年来，随着新国标的施行，以及平衡车，滑板车，共享电单车等新应用场景的出现，促使电动两轮车市场迎来了新的发展热潮。

锂电池因为具有能量密度高，循环次数多等优点而逐渐替代铅酸电池，受到越来越多电动两轮车厂商的追捧。但因为锂电池相比铅酸电池而言，安全性更差，因此需要严格的电池管理系统(Battery Management System, BMS)对锂电池进行监控和保护。

而根据不同的用户需求，往往需要选择不同的 BMS 架构，比如电摩需要实现更高功率，因此会使用多片 AFE 级联以支持更多电池串数，又比如某些电动自行车的充放电电流相差较大，会设置单独的充放电路径以优化成本。

本文将介绍几种常见的电动两轮车 BMS 架构以及不同架构的
优缺点及其使用场景。

2、电动两轮车 BMS 架构

2.1 典型的电动两轮车BMS架构

通常由电芯，模拟前端，二段保护，主控等组成。

其中， BQ77216 是一款单颗可支持 3-16S 的二段保护产品，不需要像传统的采用多片级联实现 16S 二
次保护。并且相比传统的二段保护产品， BQ77216 不仅具有过压保护功能，而且还具备欠压，过温，
开线等保护功能，满足更多的设计需求。

BQ76952 是 TI 最新的支持 3-16S 的 AFE 产品，具有采样精度高，集成高边驱动和可编程 LDO，支持
脱离 MCU 独立工作，支持乱序上电，功耗小等诸多优点，而被广泛应用于电动两轮车领域。并且因为
BQ76952 具有 DCHG 和 DDSG Pin，分别实现对 CHG 和 DSG Pin 的逻辑映射， 因此既能实现高边驱
动的方案，也可以实现低边驱动的方案。 同系列的产品还有 BQ76942 和 BQ769142，分别支持 3-10S
和 3-14S 的电池包。

2.2 电动两轮车BMS架构细分类

按照充电 FET (CFET)和放电 FET (DFET)的位置不同，可以将电动两轮车的 BMS 架构分为以下四种：

2.1.1 高边串联架构

CFET 和 DFET 都置于高边，并且以串联的形式连接，所以称之为
高边串联架构。

2.1.2 高边并联架构

CFET 和 DFET 都置于高边，并且以并联的形式连接，所以称之为
高边并联架构。

2.2.3 低边串联架构

CFET 和 DFET 都置于低边，并且以串联的形式连接，所以称之为
低边串联架构。

2.2.4 低边并联架构

CFET 和 DFET 都置于低边，并且以并联的形式连接，所以称之为
低边并联架构。

3、选择合适的电动两轮车 BMS 架构

上述四种架构的主要区别在于两点：一个区别是 CFET， DFET 是置于高边还是低边；另一个区别是
CFET， DFET 是串联连接还是并联连接。 根据不同的应用场合，应该选取合适的 BMS 架构。 下面分
别介绍在选取不同 BMS 架构时的主要考虑。

3.1 高边 or 低边

3.1.1 高边与低边介绍

低边方案是目前应用比较成熟且比较容易实现的方案， 多数两轮车也是基于低边方案设计的。同时，
目前大部分模拟前端也集成了低边驱动的能力， 比如我们上一代的经典产品 BQ769x0 系列就是采用的
低边保护方案。

但是低边保护方案存在一个缺点：当 CFET， DFET 关断的时候，电池包的地和系统端的地不再共地，
所以一旦有保护被触发关断充放电 FETs，电池端和系统端不再能够实现直接通信。若想继续实现通信，
则需要采用隔离通信，这不仅会增加成本，同时也会增加功耗，尤其是欠压保护时，过大的通讯功耗
对于原本就欠压的电池包更是雪上加霜。 因此低边方案主要应用于对成本更为敏感的没有复杂通信的
产品中。

相比较低边保护，高边保护方案即使在保护被触发后，电池包和系统端仍然是共地的，因此仍然可以
实现相互之间的通信，而无需增加隔离通信， 且触发保护后断开电池正端，系统更加安全。

3.1.2 部分示例

BQ76200 是一款低功耗的高边 NFET 驱动 IC，支持充放电管单独控制，具有很强的灵活性。可扩展的
charge pump 电容可保证多组并联 FETs 的驱动能力，同时集成了 PACK 电压采样开关，方便通过
MCU ADC 实现 PACK 端电压采样。

相比于 BQ769x0 系列， BQ769x2 系列 AFE 因为本身集成了高边驱动能力，所以无需增加任何其他器
件就可以实现高边保护方案，可以帮助节省一颗高边驱动芯片。 Figure 7 所示为典型的高边串联应用电
路，可以看到，通过 BQ76952 的 CHG Pin 和 DSG Pin 就可以直接驱动高边的 CHG FET 和 DSG
FET，简单方便又经济实惠。

BQ769x2 作为 TI 新一代的 AFE，相比 BQ769x0，除了集成高边驱动外，还具有支持串数更多，支持
乱序上电，更多的工作模式和通信接口，采样精度更高，保护功能更全，均衡能力更强等诸多优点。

基于以上优点，越来越多的低边方案也开始使用 BQ769x2 进行设计。 BQ769x2 虽然没有集成低边驱
动，但是集成的 DDSG Pin 和 DCHG Pin， 可分别实现对 DSG Pin 和 CHG Pin 的逻辑映射，利用这两
个引脚可以通过简单的电路轻松实现低边保护的方案， Figure 8 所示为典型的基于 BQ769x2 的低边保
护电路。

3.2 串联（同口） or 并联（分口）

串联架构的充电口和放电口共用一个端口， 缺点是 CFET 和 DFET 的数量均需要按照充放电电流的最
大值进行选型， 若充电电流和放电电流相差比较大时，比如一般电动车锂电池包的充电电流要比放电
电流小， 选择串联架构，则需要选择比实际需要更多的 CFET，造成不必要的浪费。

并且无论是充电还
是放电，所有的电流都需要经过 CFET 和 DFET，会产生更多的损耗和热，一定程度上也减少了电池
的有效容量。 优点是不需要考虑反向电流的问题，因为 CFET 和 DFET 的背靠背连接可以阻断反向电
流。此外， 串联架构可以节省一根功率线和一个接线端子。

相比串联架构，并联架构可以按照实际的充放电电流需要分别选型 CFET 和 DFET 的数量和型号。并
且无论是充电还是放电，都只经过一级 FET，所以损耗和发热也都更少。缺点是需要考虑反向电流，
如经 CFET 的体二极管流向充电口，或经过 DFET 的体二极管流向电芯，若要阻断这些电流路径，需要额外的电路辅助实现。

4、其他两轮车 BMS 架构

除了上述按照 CFET 和 DFET 的位置分类外，还可以按照模拟前端的数量， 有无 MCU 等对两轮车
BMS 架构进行分类。

4.1 级联架构

按照模拟前端的数量，可以将两轮车 BMS 分为级联架构和非级联架构。

目前主流的电动两轮车 BMS，如电动自行车，滑板车，平衡车等，一般采用 10S， 14S 或者 16S 电池
包，一颗 BQ769x2 就可以支持，所以对于目前主流的电动两轮车 BMS，采用上述单颗 AFE 方案即可，
Figure 2 ~ Figure 5 均为非级联架构。 但对于一些要求功率比较大的应用场合，如电轻摩或者电摩，其
电压通常高于 60V，则需要采用高于 16 串的电池包来实现更大的功率，单颗 BQ76952 已经不足以支
持，需用采用两颗进行级联使用，也就是采用级联架构。

因为高压侧的 BQ76952 是以低压侧的 Vstack作为参考地的，所以高压侧 BQ76952 的通讯需要隔离 I2C。

4.2 独立架构

按照有无 MCU，可以将两轮车 BMS 分为独立架构和非独立架构。 Figure 2 ~ Figure 5 均有 MCU 搭配
工作，所以均为非独立架构。 Figure 7 中 AFE 则脱离了 MCU 而独立工作，所以为独立(standalone)架
构。当 BQ769x2 工作在独立模式时，仍然可以对电池状态进行监控，对充放电 FETs 进行控制，当触
发保护条件时，自行控制 FETs 关断实施保护，当保护条件撤去时，自行恢复 FETs 导通。

独立架构的优点是可以节省一颗 MCU，适用于对成本要求较为苛刻的应用场合。但是因为缺少 MCU，
所以在灵活性上有所损失，用户需要按照实际需求进行选择独立还是非独立 BMS 架构。

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摘自TI，知识传播者

只靠石墨烯电池，撑不起两轮电动车的“高端梦”

文|智能相对论

作者|陈明涛

在两轮电动车上，“石墨烯”电池已经成为品牌标配。

雅迪、爱玛、台铃等都有搭载石墨烯电池的车型，雅迪的TTFAR石墨烯电池已经迭代到第4代，而第3代Plus电池搭载在冠能3 E9 PRO上完成量产上市；爱玛、台铃都和电池厂商超威建立了长期合作关系，为自家车型提供石墨烯电池。

不过这些“石墨烯”电池车型的价格都不算低。比如，雅迪冠能3 E9 PRO双十一到手价5999元起，台铃标兵系列双十一到手价3549元起，它们普遍高于消费者最主流的购买水平。

鲁大师《2021年电动两轮车行业调研报告》指出，两轮电动车价格为2000-3000元的用户占比最多，超过30%；价格为3000-4000元的用户占比超过25%，4000元以上的用户占比则不到20%。

全新概念出现背后，往往少不了品牌的技术创新，新技术带来产品溢价，成为品牌升级的实现路径，“石墨烯”电池似乎在走这样一条路。梳理两轮电动车的发展阶段，“石墨烯”电池是否释放一些市场变革的信号？

两轮电动车市场，期待变革

众所周知，两轮电动车市场可以分出两大“派别”。一是以雅迪、爱玛为代表的传统势力，二是以小牛、哈啰为代表的新势力。目前在各家高端车型上，新势力普遍选择锂电池路线，而传统势力除了锂电池之外，还有石墨烯电池路线。

小牛电动在诞生之初，定位高端，其中颜值高、用锂电池是两个核心优势。在这之前，两轮电动车品牌普遍生产低质低价的产品，仍使用铅酸电池而不是锂电池，后者使用寿命是前者的三倍，且能量密度大。所以对于当时的消费者，锂电池是少见却能明显提升产品体验的一项配置。

雅迪转向“更高端”后，在2019年发布了首款自研的石墨烯电池，这类电池后续也搭载在自家的冠能系列和高端子品牌VFLY车型上。随着新国标时代全面到来，冠能系列电动车从1代到3代，石墨烯电池也从1代迭代到不久前发布的4代。

两种电池的材料属性虽然不同，但是从品牌的角度来看，石墨烯电池同锂电池有着相似之处，都成为了品牌高端化的一块拼图碎片。品牌实现高端化，而石墨烯电池在技术领域承担起了一部分使命，帮助提高品牌溢价亦或是提升品牌形象。

从市场的角度来看，这释放的是一个“两轮电动车市场需要变革”的信号。因为一直以来，两轮电动车庞大的销量里，大部分其实是以低价的方式实现的。

《中国两轮电动车行业白皮书》显示，2021年，中国电动两轮车累计销量为4100万辆。同时，雅迪在这一年卖出1386万台，同比增长28.3%，贡献行业约1/3的销量，稳居行业首位，排在后面的分别是爱玛、台铃。

展开看老大哥雅迪的销量结构，2021年，雅迪卖出约610万辆电动踏板车、770万辆电动自行车，前者平均售价为1662元，后者平均售价为1265元。在营收方面，电动踏板车占2021年营收的38%，电动自行车占营收的36%。

可以发现，电动踏板车销量低于电动自行车，但得益于更高的定价，营收占比反而高于电动自行车。雅迪电动踏板车的车型里，主要包括的正是使用石墨烯电池的冠能系列。

与此同时，两轮电动车企业赚钱，却又“没那么赚钱”。以传统势力雅迪、爱玛来说，他们的毛利率常年普遍在10%-15%，净利率在2%-5%之间，数据表现类似于全靠供应商提供零件的“组装厂”。

行业几十年发展下来，以前长期组装、贴牌的生产制造方式，加上品牌鱼龙混杂，以及多轮价格战，已经形成了消费者对两轮电动车的刻板印象，哪怕头部企业都要花费大量时间和精力去扭转它。

所以两轮电动车需要变革，变革的是发展路径。从石墨烯电池到品牌高端化，去提升品牌形象、带来产品溢价，重新树立起新的标签。

石墨烯，不神化也不过分看低

目前，应用在两轮电动车上的“石墨烯”电池，全名其实是“石墨烯铅酸”电池，从某种角度来说，它属于铅酸电池的增强版。只不过达到更优秀的电池表现，并非是把材料与材料之间做加法那么简单。

首先需要明确一个事实，纯粹的石墨烯电池是整个电池都要采用石墨烯材料制作，这个目前仍然是行业难题。过分大部分有关石墨烯电池的新闻往往都被媒体扭曲，由此变成一个被神化的概念。

比如华为和三星在公布相关技术时，分别命名为“高温长寿石墨烯基锂离子电池”和“用于快速充电和高体积能量密度的可充电锂电池的石墨烯球”，但本质都是在电池的电极使用石墨烯材料，从而改善电池综合性能。

广汽曾经晒出过石墨烯电池，当时“续航1000km、8分钟快充”被自媒体讨论到推向风口浪尖。在舆论过后，广汽埃安也开始在各种场合强调，所研发的电池全名为石墨烯基超级快充电池，并非石墨烯电池，尝试去解除这个误会。

有位业内人士曾做出分析：“目前石墨烯顶多作为导电添加剂使用，还没有见过哪家使用真正的石墨烯电池。”

所以，目前石墨烯在电池组成中扮演的角色是“辅助”而不是“主要”。两轮电动车的石墨烯铅酸电池也是如此，内部结构、工作原理都和普通铅酸电池差不多，石墨烯仅是一种添加剂，而非核心材料。

但不可否认，石墨烯加成后的铅酸电池对比普通铅酸电池，使用效果有明显提升。比如续航长、支持快充、使用寿命长，这些往往都是消费者购车时想要的，能够让产品更加耐用。

以雅迪为例，按照官方说法，采用石墨烯原料，电池可循环充放电1000多次。有行业数据显示，普通铅酸电池循环次数在300-400次左右。如果按照两天一充电的情况来对比两者，前者的寿命至少在5-6年，而后者的寿命在2年左右。

在充电速度上，石墨烯铅酸电池是普通的3-4倍。打个比方来说，一组72V 32Ah的铅酸电池充满需要7-8小时，石墨烯版本则最快2小时充满。

归根到底，石墨烯绝对是一项电池技术创新，但对电池核心结构来说，远算不上一场“革命”。当拿到石墨烯这种材料，又明白它能产生怎样的使用效果时，当下如何用，以及怎么产生经济价值，才会是应用石墨烯的关键。

2022年上半年，雅迪冠系列C端销售占比扩大至42%，石墨烯及锂电池车型占比扩大至55%。得益于此，雅迪销售均价同比增加18%至2234元，带动毛、净利率均同比向上，分别增加3.01%、1.7%到17.92%、6.43%。

对于消费者来说，搭配石墨烯铅酸电池的产品是逐渐被认可的。两轮电动车已经成为红海市场，同质化严重，那么石墨烯电池在打造产品的差异化竞争力上，反而能成为“核心”。

品牌升级，靠的不止一块电池

电池的创新升级对品牌高端化有所加成，但不是全部，石墨烯铅酸电池也仅是一块拼图碎片。在产品自身属性上，离不开整套动力方案的技术突破，除了电池外，还有电机、电控等方面的综合创新。

两轮电动车作为短途代步工具，能跑、抗造是消费者考量要素，至于那些五花八门的高科技编排、智能化功能，绝非刚需。尤其对于大部分三四线城市和乡镇用户，用合适的价格实现更好的代步才是核心诉求。

厂商要改变两轮电动车过去“组装厂”的刻板印象，关键就是围绕消费者购车考虑要素，实现相关技术的自主研发。

比如，绿源的强项在“电机”。绿源在行业里首次将液冷技术融入电机，做到了自主研发，去年发布了液冷高速电机、液冷双舱电机和液冷双舱中置电机三个自研的技术迭代成果。液冷降温能够改善电机生锈、易退磁等问题，从而让两轮电动车提高寿命，更加耐用。

还比如，雅迪的强项在“电池”。之前提到的石墨烯铅酸电池，雅迪已经做到自主研发，领先业内同行提前布局上游，包括全资收购了华宇新能源科技有限公司（专注新能源电池研发及生产），拥有南都华宇电源有限公司（铅酸电池）70%股权；拥有大川电机（电机）40%股权；拥有长兴南都电源（铅酸电池、锂电池）70%股权。

凭借自主研发，两轮电动车品牌似乎在走“比亚迪”式的发展路径。将电池、电机等上游核心组件产业链收入囊中，这样去进一步优化成本，提高盈利能力。

有一个依据是，雅迪的毛利率表现会比爱玛更好。2021年和2022年上半年，雅迪毛利率分别为15.21%、17.92%，爱玛为11.72%和14.7%，雅迪比爱玛高出3.49%和3.22%。

拉开两者成本差异的核心原因正是在于两轮电动车核心部分的自研自产。作为整合核心组件，电池、电机的成本占整车成本的30%以上，自主研发有着更强的成本话语权。

由此，自主研发打造而来的两轮电动车产品，也能形成品牌足够的差异化竞争。不会觉得某项技术每个品牌都有，反而是想要石墨烯电池就能想到雅迪，想要液冷电机就能想到绿源。

任何单一的功能都无法撑起品牌升级、品牌高端化，但全面自主研发而来的产品一定可以。

*本文图片均来源于网络