詳察電池芯的電池組監控IC

將測量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個(gè)隔離絕緣器，而不是多個(gè)。幾十年前，工程師們要通過(guò)絕緣屏障來(lái)傳送模擬電壓。電池組監控芯片結構是當前的趨勢。測量模擬電壓，然后將該電壓轉換為數字位。將數字化數據傳送過(guò)一個(gè)隔直屏障有很多種方法（參考文獻4）?？梢圆捎霉怦?、隔直電容、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過(guò)隔離屏障發(fā)送模擬電平，則可以采用delta-sigma調制器，如Avago的產(chǎn)品。

一旦確保了精確測量，并解決了共模問(wèn)題，還必須確認滿(mǎn)足了設計的功率要求。電池組本身能為大多數電池監控IC提供電源，而這意味著(zhù)會(huì )耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個(gè)芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會(huì )超過(guò)周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車(chē)電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監控電路就不會(huì )消耗動(dòng)力電池的能量。

當設計測量系統時(shí)，必須要在某個(gè)通信鏈路上發(fā)送數據。有些制造商會(huì )將一種簡(jiǎn)單的局域串行協(xié)議（如串行外設接口SPI）轉換為一種高級協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）總線(xiàn)。CAN通信在汽車(chē)中的應用已有幾十年時(shí)間，證明了其可靠性。

這些對測量系統的考慮還只是基本需求。為了滿(mǎn)足汽車(chē)制造商對可靠性和責任的關(guān)切，我們必須測量電池組中的每個(gè)芯。為了盡量減少所需要的測量轉換器數量，大多數IC制造商都在自己的電池組監控芯片中采用了高壓、有故障保護的多工器，使芯片能夠精確地測量4只12只電池芯，然后將測量結果通過(guò)一個(gè)串行總線(xiàn)，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。

當裝配工人或機器采用熱插拔更換方法，將測量電路連接到電池上時(shí)，就產(chǎn)生了另一個(gè)重要的可靠性問(wèn)題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對任意電池芯檢測線(xiàn)的隨意連接會(huì )向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認為芯片必須有加固的節點(diǎn)，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說(shuō)：“DMOS和CMOS已經(jīng)做了這個(gè)工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內部如何短接晶體管阱和柵。”他告誡IC設計者，要用導環(huán)來(lái)解決熱載流子的注入問(wèn)題。

大多數制造商都同時(shí)提供外部和片上的溫度檢測，因而系統設計者能夠測量出環(huán)境溫度和電池芯溫度。然后，設計者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數?？煽啃詥?wèn)題也使得汽車(chē)制造商提出了對全冗余測量系統的要求（圖6與參考文獻5）。在這些結構中，一組daisy鏈接的芯片做測量，另一組芯片則用設定了最大最小極限值的比較器，監控測量情況。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無(wú)源的，原因是：如果一只芯片出現電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過(guò)。大多數的電池組測量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統的BMU（電池管理單元）微控制器查詢(xún)芯片，以確保芯片的上電和工作。

除了這種系統級冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能（參考文獻6）。

Intersil公司汽車(chē)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Kenneth Lenk表示這類(lèi)芯片包含了多種電壓基準。他補充說(shuō)，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。

很多制造商都強調說(shuō)，他們的器件擁有無(wú)源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時(shí)也能繼續工作。Analog Devices公司精確放大器系列產(chǎn)品經(jīng)理Sam Weinstein稱(chēng)，制造商不僅要建立內部的冗余，還要確保冗余安全芯片的運行。他指出，BIST（內置自檢）很昂貴，但這是滿(mǎn)足汽車(chē)業(yè)要求的基礎。

一個(gè)工程化委員會(huì )正在將汽車(chē)電池組系統的失效保護以及冗余功能做到ISO（國際標準化組織）26262標準中，ISO組織預計將在今年發(fā)布該標準。開(kāi)發(fā)人員采用了這個(gè)標準后，就能為他們提供電動(dòng)汽車(chē)中模擬、數字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務(wù)關(guān)鍵的先進(jìn)傳動(dòng)模塊的模擬與數字硬件。
電池環(huán)境

除了汽車(chē)電池組的測量以外，還必須使系統能在現代汽車(chē)所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下生存。所有這些元件都會(huì )遭受到震動(dòng)與加速度。例如在鐵道上通過(guò)鎖鏈懸掛運輸汽車(chē)時(shí)會(huì )出現最大加速度，表面安裝芯片和無(wú)源元件都要防震。

系統還必須能承受較消費電子更寬的溫度范圍。例如，電池芯無(wú)法承受+125°C的溫度。并且，大多數芯片可以工作到+85°C的溫度，Maxim和Analog Devices公司的芯片可工作到+105°C。Intersil和其它制造商提供能在汽車(chē)制造商指定溫度下工作的芯片。低溫也會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。晶體管基射結電壓和互導會(huì )隨溫度的降低而上升，從而造成放大器的振蕩。

電池組測量系統的設計必須能承受EOS（電氣過(guò)載）。例如，當某個(gè)技工斷開(kāi)一個(gè)運轉中引擎的電池電纜，以確定交流發(fā)電機是否在工作時(shí)，就會(huì )出現這種現象。此時(shí)，交流發(fā)電機會(huì )向電氣系統發(fā)出一個(gè)100V脈沖。盡管電動(dòng)汽車(chē)電池組芯片可能不會(huì )遭受到這種壓力，但母線(xiàn)連接的電池芯則可能在大電流流過(guò)時(shí)遭到損壞，因為在電池電壓上產(chǎn)生了一個(gè)大的過(guò)沖。

EMI會(huì )干擾測量，是電動(dòng)汽車(chē)中的最大環(huán)境挑戰之一（圖7）。所有走線(xiàn)和高阻節點(diǎn)都會(huì )受EMI影響，EMI可能破壞對電池芯電壓的測量。據Linear Technology公司應用經(jīng)理Tim Regan稱(chēng)，交流紋波可能到處都是。這種紋波來(lái)源于轉換器的斬波頻率，并加到電機的電噪聲上。

Regan補充說(shuō)：“基本的去耦方法就很有效。”不過(guò)，去耦只是一個(gè)開(kāi)始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷電路板）布局，以及屏蔽等。

圖7，這個(gè)實(shí)驗結構可向測量系統注入電流，以確保芯片可以承受大電流。覆箔的盒子隔離了外部的輻射，因此不會(huì )影響測量（Linear Technology公司提供）。