與油箱等單個儲能元件不同，電動汽車 （EV） 電池組由數(shù)百個單獨的鋰離子 （Li-Ion） 電池組成。當(dāng)不在精心控制的范圍內(nèi)運行時，這些電池單元的容量和壽命會隨著時間和工作條件而減少和發(fā)散。電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)從這些電池中提取最大容量和壽命，同時確保安全性和可靠性。該系統(tǒng)的核心是電池單元監(jiān)視器，它提供用于確定每個電池的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH） 的電池測量值，這是評估電池狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。本文介紹ADI公司的ADBMS6815系列高壓電池監(jiān)控器，以及 實現(xiàn)汽車電池組的最大容量、安全性、可靠性和使用壽命。

介紹

幾十年來，汽車行業(yè)一直在緩慢整合，而技術(shù)和品牌差異化卻在下降。動力總成，即將能量轉(zhuǎn)化為運動的系統(tǒng)，可以說是汽車制造商最珍貴的知識產(chǎn)權(quán)，背后有一個多世紀(jì)的改進(jìn)。在這種背景下，全新的汽車公司的出現(xiàn)是非凡的。 因為動力總成技術(shù)是受到挑戰(zhàn)的技術(shù)。

典型的內(nèi)燃機(jī) （ICE） 車輛有一個 15 加侖的油箱，相當(dāng)于近 500 kWhr 的電能。15 加侖汽油相當(dāng)于 ICE 的續(xù)航里程為 375 英里;500 kWhr 的電能相當(dāng)于 EV 的續(xù)航里程為 1450 英里。這種巨大的效率優(yōu)勢是電動汽車最終會獲勝的原因，但這一旅程的最后一站尚未規(guī)劃。當(dāng)今一代電動汽車面臨的最大問題是它們無法攜帶足夠的電池容量來匹配內(nèi)燃機(jī)汽車的續(xù)航里程。

挑戰(zhàn)是什么？

電動汽車的電池組由數(shù)百個單獨的電池組成，串聯(lián)工作以產(chǎn)生 400 V 至 800 V 的電壓。過度充電和過度放電會損壞或過早老化電池，從而降低容量或壽命，并最終導(dǎo)致電池故障。BMS的主要功能是確定和控制組成包的長系列中每個細(xì)胞的SOC和SOH。將任何鋰離子電池充電至其 SOC 的 100% 或放電至 0% SOC 會降低其容量。確定SOC需要測量電池電壓和溫度，而這些測量的準(zhǔn)確性直接決定了SOC的管理程度。總之，BMS 電子設(shè)備是最大限度地提高電動汽車電池系統(tǒng)工作范圍、壽命、可靠性和安全性的關(guān)鍵引腳。

以緊密協(xié)調(diào)的方式準(zhǔn)確、連續(xù)地測量以長長的高壓串連接的所有電池單元并非易事。測量需要不受逆變器、執(zhí)行器、開關(guān)、繼電器等產(chǎn)生的高電噪聲的破壞。由于電池組的高電壓，電子設(shè)備本身需要電氣隔離。最后，電子設(shè)備需要通過磨損、天氣以及車輛的年齡和里程運行多年。

在BMS的核心

作為集成電路（IC）和解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商，ADI的電池管理產(chǎn)品專注于幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：單個電池測量（電池組監(jiān)視器）、整體電池組測量（電池組監(jiān)視器）、互連設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)（通過電線或無線網(wǎng)絡(luò)）以及用于控制這些設(shè)備的軟件。這些電子設(shè)備的目標(biāo)是允許所有電池單元安全地充電到盡可能高的容量，確保整個電池組獲得最大的可存儲能量，以最大限度地提高車輛續(xù)航里程。

可以說，最關(guān)鍵的器件是高壓電池監(jiān)控IC。電池監(jiān)視器 IC 測量串聯(lián)電池單元的電池電壓和溫度，通常每個監(jiān)視器 12 個單元。電池電壓和溫度是關(guān)鍵參數(shù);測量精度和同步性是關(guān)鍵特性。

綜合起來，這些信息使BMS能夠在其安全操作范圍內(nèi)完全操作電池，而不會對它們施加壓力。因此，這些電池監(jiān)視器的性能對于BMS最大化車輛的續(xù)航里程，成本，重量和可靠性至關(guān)重要。由于測量誤差會導(dǎo)致電池管理效率降低，因此ADI的BMS產(chǎn)品始終提供業(yè)界最精確的測量功能。

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密單元監(jiān)控器提供了理想的功能組合，可實現(xiàn)安全性、性能和成本效益。該系列由三個基本器件組成，根據(jù)每個器件監(jiān)控的電池數(shù)量進(jìn)行區(qū)分：ADBMS6816監(jiān)控6個電池單元，ADBMS6817監(jiān)控8個串聯(lián)電池，ADBMS6815監(jiān)控12個串聯(lián)電池單元。三種不同的電池監(jiān)控器數(shù)量可以處理各種電池組配置的不同電池配置。

此外，這些部件可以混合搭配的方式組合在一起，以創(chuàng)建理想數(shù)量的細(xì)胞監(jiān)視器通道。由于工作環(huán)境包含極端的電噪聲，因此它們還包括可調(diào)節(jié)的低通濾波，可降低這種噪聲，確保高保真測量。

圖1.多節(jié)電池監(jiān)視器的簡化說明。

ADI BMS 通信技術(shù)

ADBMS6815系列電池監(jiān)測器設(shè)計用于使用稱為isoSPI的2線通信接口的菊花鏈互連?。這是一個可靠的EMI不敏感且電氣隔離的網(wǎng)絡(luò)，允許ADI的BMS器件從BMS微控制器同步操作、輪詢和控制。這樣就可以使用ADI電池組監(jiān)控器與電池組電流和電池組電壓同步測量電池組中的所有電池。該菊花鏈可以為每個設(shè)備使用一條路徑運行，也可以在環(huán)路配置中使用雙路徑。該環(huán)路允許在電線或連接器發(fā)生故障時訪問所有單元監(jiān)視器數(shù)據(jù)。

要了解有關(guān)isoSPI的更多信息，請觀看此視頻。

ADBMS6815系列還支持在無線BMS（wBMS）中工作，其中有線菊花鏈被蜂窩監(jiān)視器上的2.4 GHz無線BMS節(jié)點取代。

圖3.wBMS用無線電代替通信線。

安全

在BMS的所有目標(biāo)中，確保電池組安全是最重要的。識別和修復(fù)IC內(nèi)的潛在故障需要內(nèi)置的自檢功能和冗余。這些功能包括冗余測量路徑、改進(jìn)的輸入信號之間的同步、自檢功能等等。

ADBMS6815系列器件設(shè)計用于支持ISO 26262 ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 26262 是普遍采用的汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保汽車電氣設(shè)備和系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)的安全。ASIL-D 是此 ISO 標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險分類，代表了系統(tǒng)中最高水平的汽車安全。ADI的組件經(jīng)過設(shè)計和認(rèn)證，支持ASIL-D，以確保使用ADI元件的汽車制造商能夠?qū)崿F(xiàn)這一關(guān)鍵里程碑。

此外，通過滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員通常可以滿足其他功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61508，以滿足非汽車應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

低功率電池監(jiān)控

除了確保穩(wěn)定、可預(yù)測和可靠的能源為車輛供電外，BMS 還必須確保電池本身始終安全。雖然這種情況很少發(fā)生，但電池單元缺陷會導(dǎo)致電池隨著時間的推移而變短，并導(dǎo)致熱失控，從而造成災(zāi)難性后果。因此，BMS 會監(jiān)控可能指示任何潛在問題的情況。

電池單元不是惰性的，因為它們沒有使用。作為電化學(xué)裝置，即使在靜止時，它們也會隨著時間的推移而變化。換句話說，即使車輛不運行，故障單元的進(jìn)展也可以繼續(xù)。為了在車輛處于熄火狀態(tài)時對電池組中的電池進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，ADI開發(fā)了低功耗電池監(jiān)控（LPCM）。LPCM是一種先進(jìn)的電芯監(jiān)測功能，可定期自主檢查電芯的關(guān)鍵參數(shù)。借助LPCM功能，細(xì)胞監(jiān)視器會提醒BMS喚醒，并在檢測到任何潛在時運行適當(dāng)?shù)臋z查 關(guān)注。如果小區(qū)監(jiān)視器未能提供定期的肯定確認(rèn)，BMS 也會發(fā)出警報。

要了解ADI如何解決這個問題，請觀看此視頻，了解LPCM。

靈活性、能力和成本效益

ADBMS6815系列提供理想的功能組合，可滿足廣泛的要求，補(bǔ)充了已經(jīng)概述的安全性、可靠性和性能。這些器件使用相同的封裝和引腳排列，允許設(shè)計人員組合不同的通道數(shù)（每個器件監(jiān)控 6、8、12 個電池單元），以創(chuàng)建可填充的通用設(shè)計，以滿足更廣泛的電池組或電池模塊配置。這些器件還包括通用I/O，可用作數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或模擬輸入。當(dāng)作為模擬輸入運行時，它們可以測量任何電壓 高達(dá) 5 V，測量精度與原電池測量相同。此外，這些輔助測量（如溫度或電流）可以與單個電池測量同步，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的SOC計算。這些 I/O 引腳還可以控制 I2C 或 SPI 子節(jié)點器件，可實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，例如添加用于擴(kuò)展模擬輸入的多路復(fù)用器或用于存儲校準(zhǔn)信息的 EEPROM。最后，這些器件包括電池平衡功能，可在任何電池上放電高達(dá)300 mA的電流。這使系統(tǒng)能夠在包裝中的所有細(xì)胞之間均衡并保持相等的SOC。均衡過程可以設(shè)置為特定周期，并在達(dá)到預(yù)編程閾值時自動停止。這允許長時間平衡，即使電池監(jiān)視器處于睡眠模式也是如此。

共同特點

ADBMS6815（12通道）

ADBMS6817 （8通道）

ADBMS6816 （6通道）

支持汽車安全完整性等級 D

最大壽命總測量誤差：1.5 mV

用于高壓電池組的可堆疊架構(gòu)

304 μs 測量系統(tǒng)中的所有電池

具有可編程噪聲濾波器的 16 位 ADC

每通道 300 mA 無源電池平衡，帶可編程 PWM 控制

2 Mbps 電隔離 isoSPI 通信

僅使用2根電線和電容器或變壓器》/li》

可逆通信支持環(huán)形拓?fù)?即使通信路徑出現(xiàn)故障，也允許通信

7個通用接口引腳，可用作模擬或數(shù)字輸入或數(shù)字輸出;支持溫度傳感器，可配置為 I2C 或 SPI 主電源

5.5 μA 睡眠模式電源電流

48 引腳 7 mm × 7 mm LQFP 封裝

結(jié)論

在未來30年內(nèi)，世界將從內(nèi)燃機(jī)過渡到電動乘用車。汽油（一種來自有限資源的產(chǎn)品）的極低效使用將確保這種情況發(fā)生。地緣政治和環(huán)境問題只會加速這一趨勢。電動汽車是未來，BMS技術(shù)是關(guān)鍵的推動因素。

ADBMS6815系列等領(lǐng)先的BMS產(chǎn)品正在推動未來。這些 IC 已通過 ISO 26262 ASIL-D 認(rèn)證，并提供業(yè)界最高的電池單元電壓和溫度測量精度。ADBMS6815系列遵循多代經(jīng)過道路驗證的電池監(jiān)控器IC，旨在超越汽車和工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境、可靠性和安全性要求。他們繼續(xù)有效地滿足電動汽車車隊和大型儲能系統(tǒng)不斷發(fā)展和具有挑戰(zhàn)性的要求。設(shè)計人員可以選擇ADI，相信我們市場領(lǐng)先的技術(shù)可以提供當(dāng)今最好的BMS，并基于我們不斷擴(kuò)展的創(chuàng)新為未來領(lǐng)先的系統(tǒng)開辟道路。

審核編輯：郭婷