與燃油箱是單個儲能裝置不同，電動汽車 （EV） 電池組由數百個鋰離子電池組組成。這些電池的容量和使用壽命會隨著時間而不同，除非仔細管理。電池管理系統 （BMS） 的工作是盡可能從每個電池中提取容量和使用壽命，同時提高安全性和可靠性。電池監控IC是該系統的核心。利用IC提供的電池測量值，可以計算每個單元的充電狀態（SOC）和老化狀態（SOH）作為確定電池狀態的主要參數。 本文介紹了 ADBMS6815 高壓電池單元監控 IC 系列的 Analog Devices。這些 IC 產品可用于最大化電動汽車電池組的容量、安全性、可靠性和使用壽命。

前綴

隨著汽車行業幾十年的逐步標準化，技術和品牌的差異化變得相當弱。動力總成是將能量轉化為運動的系統，可能是汽車公司最寶貴的智力資產（IP）。一百多年來，動力總成一直在不斷的技術進步。隨著全新的汽車公司不斷涌出，動力總成面臨著全面的挑戰。

典型的內燃機 （ICE） 汽車包括高達 15 加侖（約 57 升）的燃油箱。這相當于大約 500 kWhr 的電能。15加侖汽油可以跑375英里（603公里）的ICE。但是，如果電能為 500 kWhr，則 EV 可行駛 1，450 英里（2，333 公里）。在燃油經濟性方面，這種絕對優勢將使EV成為最終的贏家。然而，在這樣的旅程中，還有一段尚未修復。EV 今天面臨的最大挑戰是，它沒有足夠的電池容量來與 ICE 汽車的續航里程相媲美。

需要解決的挑戰

EV 電池組由數百個電池組成。這些電池串聯工作，產生 400 V 至 800 V 的電壓。過度充電或過度放電會損壞細胞或導致細胞突然老化。這導致容量或壽命的縮短，并最終導致電池故障。BMS 的主要功能是計算和控制構成包的每個單元的 SOC 和 SOH。將鋰離子電池充電至 100% SOC 或放電至 0% SOC 會降低電池容量。為了計算SOC，必須測量電池電壓和溫度，這種測量精度直接影響SOC的管理效果。簡而言之，BMS 中的電子器件在最大化 EV 電池系統的操作范圍、使用壽命、可靠性和安全性方面起著關鍵作用。

精確、連續地測量所有串聯高壓電池單元絕非易事。此測量不應受逆變器、執行器、開關、繼電器等產生的高電氣噪聲的影響。測量設備本身也必須與電池組的高電壓進行電氣隔離。此外，這些設備必須承受機械磨損、天氣條件和車輛里程老化，并東海多年。

BMS 的關鍵要素

作為行業領先的 IC 和解決方案供應商，ADI 的電池管理系統 （BMS） 產品專注于幾個關鍵領域。這包括單個單元測量（單元監控）、完整包測量（包監控）、用于連接它們的通信網絡（有線或無線網絡）以及用于控制這些設備的軟件。使用這些組件的目的是在整個包裝中存儲最大能量，同時將所有電池組安全地充電到最大容量，并最大限度地提高 EV 的續航里程。

其中，一個特別重要的設備是高壓單元監控IC。電池監控 IC 測量串聯電池單元的電池電壓和溫度，通常有 12 個通道。電池電壓和溫度是主要參數，測量精度和同步性是主要特征。

結合這些信息，BMS 使單元在各自的安全操作范圍內以最大容量運行。因此，這些電池監控設備在最大化車輛行駛里程、降低成本和重量以及提高可靠性方面的作用至關重要。這是因為此處發生的測量誤差會妨礙有效的電池管理。ADI 的 BMS 產品始終提供業內最精確的測量能力。

ADI最近推出的亞行MS6815精密電池監控IC系列具有安全性、性能和成本效益的所有特性。目前，該系列由三個不同通道的監控產品組成。亞行MS3監控6816個電池單元，亞行MS6串聯監控6817個電池單元，亞行MS8串聯監控6815個電池單元。它提供三種不同的電池單元，以滿足各種電池組配置要求，以實現廣泛的電池組配置。

此外，這些 IC 的各種組合可以構建所需數量的單元監控通道。由于操作環境還包括惡劣的電氣噪聲，因此這些產品通過包括可設置的低通濾波（低通濾波）來降低噪聲并實現高精度測量。

圖1： 多芯電池監控IC

ADI的BMS通信技術

亞行MS6815單元監控IC系列是isoSPI?它旨在使用稱為 2 線的通信接口進行菊花鏈連接。isoSPI?是可靠的，對 EMI 具有較高的耐受性，通過實現電氣隔離網絡，ADI 的 BMS 設備可以從 BMS MCU 同步運行、輪詢和控制。同步測量包中的所有單元，并使用包監控設備監控包電流和封裝電壓。可以使用此菊花鏈為每個設備配置一個路徑，也可以使用雙路徑作為環路配置運行。環路配置允許在發生導線或連接器故障時訪問所有單元監控設備的數據。

亞行MS6815系列也可以作為無線BMS（wBMS）運行。在這種情況下，必須將有線菊花鏈從蜂窩監控設備更改為 2.4 GHz 無線 BMS 節點。

圖 3：wBMS 以無線方式替換通信導線。

安全

在 BMS 的所有要求中，電池組的安全性尤為重要。為了檢測和處理 IC 中的潛在缺陷，需要與 BIST（自帶）功能冗余。解決方案包括冗余測量路徑、輸入信號之間的增強同步、自檢功能等。

亞行MS6815系列旨在滿足ISO 26262 ASIL-D標準。

ISO 26262 是一項普遍采用的汽車功能安全標準，旨在確保車輛電氣設備和系統的整個生命周期的安全。ASIL-D 等級是 ISO 標準定義的最高級別的汽車安全要求。通過認證 ADI 產品符合 ASIL-D 標準，使使用 ADI 部件的汽車制造商能夠減少獲得認證所需的時間。

此外，通過滿足 ISO 26262 標準，設計人員可以輕松實現其他功能安全標準，如 IEC 61508。

低功耗電池監控

BMS 不僅為汽車驅動提供可靠、可預測和可靠的能源，而且確保電池本身始終安全運行。在極少數情況下，電池故障會導致電池短路，隨著時間的推移，產生熱失控，并可能導致嚴重后果。因此，BMS 應能夠立即檢測到任何異常情況。

電池未使用，因此不會停止活動。作為電化學元件，即使不使用電池，其特性也會隨時間而變化。也就是說，即使車輛關閉，單元內的問題也將繼續存在。因此，為了持續監控電池組內的電池，即使在車輛關閉的情況下，ADI 也開發了稱為低功耗電池監控 （LPCM） 的電池。LPCM 是一種進化的電池監控功能，可自行定期測量電池的關鍵參數。當使用 LPCM 功能檢測到任何異常時，蜂窩監控設備會向 BMS 發送警報，以便采取必要的措施。當單元監視設備未定期做出正常的確認響應時，也會向 BMS 發送警報。

在下面的視頻中，您可以看到 ADI 如何在發生此類問題時解決這些問題：https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html

靈活性、功能性和經濟性

除了上述安全性、可靠性和性能外，ADBMS6815 系列還具有滿足各種應用需求的特性。由于這些設備產品具有相同的封裝和引腳，因此支持的通道數可以適當地組合不同的產品（每個設備 6 個、8 個、12 個電池單元監控），以滿足各種電池組或電池模塊配置。這些產品還可用于數字輸入、數字輸出或模擬輸入的通用 I/O。當用作模擬輸入時，可以測量 5 V 以內的任何電壓，測量精度與電池測量相同。通過將單個單元測量與輔助測量（如溫度或電流）同步，可以更精確地進行 SOC 計算。

此外，由于這些 I/O 引腳可以控制 I2C 或 SPI 子諾德設備，因此可以實現更復雜的功能，如添加多路復用器以擴展模擬輸入或使用 EEPROM 存儲校準信息。最后，這些產品包括電池平衡功能，可將電流放電至300mA。因此，它可以在包中的所有單元中保持均勻的 SOC。可以將均衡過程設置為特定的時間間隔，并在充電量達到編程閾值時自動停止充電。因此，即使電池監控設備處于睡眠模式，也可以長時間平衡。

常見功能

亞行MS6815（12通道）

亞行MS6817（8通道）

亞行MS6816（6通道）

ASIL-D 級支持

整個生命周期的最大總測量誤差：1.5 mV

高壓電池組的可包裝架構

僅 304s 即可測量系統中的所有單元

16 位 ADC，帶可編程噪聲濾波器

每個通道 300 mA 的無源電池平衡，包括可編程 PWM 控制

2 Mbps 電氣隔離 isoSPI 通信

僅使用兩根導線和電容器或變壓器

反向通信支持環形拓撲：即使通信路徑有故障，也能進行通信

七個通用接口引腳，提供模擬輸入、數字輸入和數字輸出：支持溫度傳感器，可配置為 I7C 或 SPI 主引腳

5.5 A 睡眠模式電流

48 針 7 毫米 x 7 毫米 LQFP 封裝

結語

未來30年，世界各地的汽車將從ICE汽車轉向電動汽車。石油是一種有限的資源，而且作為汽車燃料的效率也非常低。對環境的擔憂也助長了這一轉變。電動汽車將成為我們的未來，BMS技術在實現這一點方面起著關鍵作用。

為了實現這一未來，可以使用領先的 BMS 產品，如亞行 MS6815 系列。這些 IC 產品符合 ISO 26262 ASIL-D 認證，可提供業內最高的電池電壓和溫度測量精度。亞行MS6815系列基于幾代經現場驗證的電池監控IC經驗，超越了汽車和工業應用的環境、可靠性和安全要求，可有效滿足電動汽車和大型儲能系統不斷變化的需求。通過選擇 ADI，設計人員可以使用先進的技術實現最佳的 BMS。

審核編輯：郭婷