幾十年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)一直在慢慢整合，而技術(shù)和品牌差異化卻在減少。動(dòng)力總成是將能量轉化為運動(dòng)的系統，可以說(shuō)是汽車(chē)制造商最寶貴的知識產(chǎn)權，經(jīng)歷了一個(gè)多世紀的完善改進(jìn)。在這種情況下，造車(chē)新勢力的出現就顯得令人矚目，因為意味著(zhù)動(dòng)力總成技術(shù)正在經(jīng)受挑戰。

一輛典型的內燃機(ICE)汽車(chē)有一個(gè)15加侖的油箱，相當于近500千瓦時(shí)的電能。15加侖的汽油可轉化為內燃機汽車(chē)375英里的續航里程；500千瓦時(shí)的電能可轉化為電動(dòng)汽車(chē)1450英里的續航里程。這種巨大的能效優(yōu)勢是電動(dòng)汽車(chē)最終取勝的原因，但如今這一代電動(dòng)汽車(chē)面臨的最大問(wèn)題，是其電池容量比不上內燃機汽車(chē)的續航里程。

挑戰是什么？

電動(dòng)汽車(chē)的電池包由數百個(gè)串聯(lián)工作的電芯組成，產(chǎn)生400 V到800 V的電壓。過(guò)度充電和過(guò)度放電會(huì )損壞電池或使其過(guò)早老化，從而降低容量或壽命，最終導致電池故障。電池管理系統的主要功能是確定和控制構成電池報的每個(gè)電芯的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)。任何鋰離子電池充電至100%荷電狀態(tài)或放電至0%荷電狀態(tài)都會(huì )降低其容量。確定荷電狀態(tài)需要測量電池電壓和溫度，這些測量的準確性直接決定了荷電狀態(tài)管理的好壞?？傊?，電池管理系統的電子器件是盡可能提高電動(dòng)汽車(chē)電池系統的運行里程、壽命、可靠性和安全性的關(guān)鍵。

注：要想準確、連續地測量緊密結合在一起的一長(cháng)串高壓電池串中的所有電芯，絕非易事。測量需要不受逆變器、執行器、開(kāi)關(guān)、繼電器等產(chǎn)生的高電氣噪聲的影響。由于電池包的高電壓，電子器件本身也需要進(jìn)行電氣隔離。最后，電子元件需要在磨損、氣候條件、車(chē)輛使用年限和行駛里程等因素的影響下運行數年。

電池管理系統的核心

作為集成電路(IC)和解決方案的領(lǐng)先供應商，ADI公司的電池管理產(chǎn)品專(zhuān)注于幾個(gè)關(guān)鍵方面：?jiǎn)蝹€(gè)電芯測量（電池監控器）、整體電池包測量（電池包監控器）、互連設備的通信網(wǎng)絡(luò )（通過(guò)導線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )），以及控制這些設備的軟件。這些電子裝置的目標是讓所有電芯安全地充電到盡可能高的容量，確保整個(gè)電池包獲得最大的可儲存能量，充分提高車(chē)輛的續航能力。

可以說(shuō)，最關(guān)鍵的設備是高電壓電池監控器IC。電池監控器IC可測量串聯(lián)的電芯的電壓和溫度，通常每個(gè)監控器監控12個(gè)電芯。電池電壓和溫度是關(guān)鍵參數；測量精度和同步性是關(guān)鍵特性。

綜合這些參數，電池管理系統可以在最大的安全工作范圍內操作電池，而不會(huì )給電池帶來(lái)壓力。因此，這些電池監控器的性能對于電池管理系統充分優(yōu)化車(chē)輛續航里程、成本、重量和可靠性至關(guān)重要。測量誤差會(huì )導致電池管理效率降低，而ADI公司的電池管理系統產(chǎn)品能夠提供精確的測量能力。

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密電池監控器是實(shí)現安全、性能和成本效益的較理想功能組合。該系列由三個(gè)基本器件組成，以每個(gè)器件監控的電池數量來(lái)區分：ADBMS6816監控六個(gè)電芯，ADBMS6817監控八個(gè)串聯(lián)的電芯，ADBMS6815監控12個(gè)串聯(lián)的電芯。三種不同的電芯監控器數量可以滿(mǎn)足不同的電池配置，適用于廣泛的電池包配置。

圖1.多電芯監控器的簡(jiǎn)化說(shuō)明

此外，這些部件可以通過(guò)混合和匹配的方式進(jìn)行組合，組成合適數量的電池監控通道。由于工作環(huán)境包括極端的電氣噪聲，因此還包含可調節的低通濾波，以減少這些噪聲，確保實(shí)現高保真的測量。

 ADI電池管理系統通信技術(shù)

ADBMS6815系列電池監控器采用菊花鏈式互連設計，使用isoSPI?雙線(xiàn)通信接口。這是一個(gè)穩定可靠、對電磁干擾不敏感、具有電氣隔離的網(wǎng)絡(luò )，能夠從電池管理系統微控制器同步操作、輪詢(xún)和控制ADI公司的電池管理系統設備。因此通過(guò)ADI電池包監控器件，可以同步測量電池包中的所有電芯以及電池包電流和電池包電壓。這種菊花鏈可以通過(guò)一條通往每個(gè)設備的路徑進(jìn)行操作，也可以通過(guò)環(huán)路配置中的雙路徑進(jìn)行操作。該環(huán)路支持在電線(xiàn)或連接器發(fā)生故障的情況下，訪(fǎng)問(wèn)所有的電芯監控數據。

ADBMS6815系列還支持在無(wú)線(xiàn)電池管理系統(wBMS)中運行，其中有線(xiàn)菊花鏈被電池監控器的2.4 GHz無(wú)線(xiàn)電池管理系統節點(diǎn)所取代。

安全

在電池管理系統的所有目標中，確保電池包的安全是最重要的。識別和補救集成電路內的潛在故障需要內置自檢能力和冗余。這些功能包括冗余測量路徑、改進(jìn)輸入信號之間的同步、自檢能力等等。

ADBMS6815系列零件的設計支持ISO 26262 ASIL-D標準。

注：ISO 26262是一個(gè)普遍采用的汽車(chē)功能安全標準，旨在確保汽車(chē)電氣設備和系統在整個(gè)生命周期內的安全。ASIL-D是本ISO標準中的一種風(fēng)險分類(lèi)，代表系統中最高的汽車(chē)安全級別。ADI部件的設計和認證旨在支持ASIL-D，確保使用ADI部件的汽車(chē)制造商能夠實(shí)現這一關(guān)鍵里程碑。

此外，通過(guò)滿(mǎn)足ISO 26262標準，設計人員可以滿(mǎn)足其它功能安全標準，如IEC 61508，從而也滿(mǎn)足非自動(dòng)應用的標準。

低功耗電芯監控

除了確保為車(chē)輛提供穩定、可預測、可靠的能源外，電池管理系統還必須確保電芯本身始終是安全的。雖然這種情況比較罕見(jiàn)，但電芯的缺陷會(huì )導致電池隨著(zhù)時(shí)間的推移而縮短壽命，并導致熱失控，造成災難性的結果。為此，電池管理系統需要對可能預示任何潛在問(wèn)題的情況進(jìn)行監控。

電芯并不會(huì )因為不使用而處于惰性狀態(tài)。作為電化學(xué)設備，即使在靜止狀態(tài)下，它們也會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而變化。換句話(huà)說(shuō)，即使在車(chē)輛不運行的情況下，電池的失效狀態(tài)也在持續發(fā)展。為了持續監控電池包內的電芯（即使車(chē)輛處于熄火狀態(tài)），ADI公司開(kāi)發(fā)了低功率電池監控(LPCM)技術(shù)。LPCM是一種先進(jìn)的電芯監控功能，可定期自動(dòng)檢查電芯的關(guān)鍵參數。通過(guò)LPCM功能，電池監控器會(huì )提醒電池管理系統喚醒，并在檢測到任何潛在問(wèn)題時(shí)進(jìn)行適當的檢查。如果電池監控器未能提供定期確認信號，電池管理系統也會(huì )收到警報。

靈活性、功能和成本效益

ADBMS6815系列提供了較理想的功能組合，可滿(mǎn)足廣泛的要求，并對上述安全性、可靠性和性能提供一些補充作用。這些器件使用相同的封裝和引腳，允許設計人員以不同的通道數（每個(gè)器件監控6、8、12個(gè)單體電池）構建通用設計，通過(guò)不同的選項配置，滿(mǎn)足更多電池包或電池模組的配置需求。這些產(chǎn)品還包含通用的I/O，可以作為數字輸入、數字輸出或模擬輸入操作。當作為模擬輸入操作時(shí)，它們可以測量5 V以下的任何電壓，測量精度與原電池相同。此外，這些輔助測量，如溫度或電流測量，可與電芯測量同步，從而獲得更準確的荷電狀態(tài)。

圖2.有線(xiàn)電池管理系統的概要

圖3.wBMS用無(wú)線(xiàn)電取代了通信線(xiàn)路

計算這些I/O引腳也可以控制I2C或SPI子節點(diǎn)設備，實(shí)現更復雜的功能，比如增加多路復用器，來(lái)擴大模擬輸入或EEPROM，從而存儲校準信息。最后，這些產(chǎn)品還包含電池均衡能力，在任何電池上都能放出高達300mA的電流。這實(shí)現了系統均衡，保持電池包中所有電芯的荷電狀態(tài)相等。均衡過(guò)程可以設置為一個(gè)特定的時(shí)間段，并在達到預先編程的閾值時(shí)自動(dòng)停止。這樣，即使在電芯監控器處于睡眠模式時(shí)，也能實(shí)現長(cháng)時(shí)間的均衡。

一般特性

?    ADBMS6815（12通道）

?    ADBMS6817（8通道）

?    ADBMS6816（6通道）

■  支持汽車(chē)安全完整性等級：D

■  最大使用壽命總測量誤差：1.5 mV

■  用于高壓電池包的可堆疊架構

■  304 μs內可完成系統中所有電芯電壓測量

■  具有可編程噪聲濾波器的16位ADC

■  每通道300 mA的無(wú)源電池均衡，帶有可編程的PWM控制

■  2 Mbps電隔離串行通信

■  僅使用2根電線(xiàn)和電容器或變壓器

■  可逆通信支持環(huán)形拓撲結構；即使通信路徑上有故障，也可以進(jìn)行通信

■  7個(gè)通用接口引腳可用作模擬或數字輸入或數字輸出；支持溫度傳感器，可配置為I2C或SPI主機

■  SLEEP模式電源電流：5.5 μA

■  48引腳7 mm × 7 mm LQFP封裝

結論

未來(lái)30年內，世界將從內燃機轉向電動(dòng)乘用車(chē)。汽油是一種來(lái)自有限資源的產(chǎn)品，其使用效率極低，因而勢必會(huì )推動(dòng)這種轉變。地緣政治和環(huán)境問(wèn)題只會(huì )加速這一趨勢。電動(dòng)汽車(chē)是未來(lái)的趨勢，而電池管理系統技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。

領(lǐng)先的電池管理系統產(chǎn)品，如ADBMS6815系列，正在推動(dòng)未來(lái)的發(fā)展。這些IC經(jīng)認證符合ISO 26262 ASIL-D標準，其電芯電壓和溫度測量精度在業(yè)內屬領(lǐng)先水平。ADBMS6815系列采用經(jīng)過(guò)道路驗證的多代電池監控IC，旨在超越汽車(chē)和工業(yè)應用的環(huán)境、可靠性和安全性要求。它們能夠有效滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)隊和大型儲能系統不斷變化且具有挑戰性的要求。設計人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品，相信ADI市場(chǎng)領(lǐng)先技術(shù)可以提供當今出色的電池管理系統，并在不斷擴大創(chuàng )新基礎上，促進(jìn)未來(lái)前沿系統的發(fā)展。

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關(guān)于A(yíng)DI公司

ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現實(shí)世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶(hù)重新認識周?chē)氖澜?。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。要了解更多技術(shù)細節，請聯(lián)系ADI電池管理部并訪(fǎng)問(wèn)analog.com/BMS。

作者簡(jiǎn)介

Greg Zimmer是ADI公司電池管理系統部的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，在各種高性能信號調理IC的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)方面擁有豐富的經(jīng)驗。Greg擁有營(yíng)銷(xiāo)、技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)、應用工程和模擬電路設計等方面的背景。Greg擁有加州大學(xué)伯克利分校電氣工程/計算機科學(xué)學(xué)士學(xué)位以及加州大學(xué)圣克魯茲分校經(jīng)濟學(xué)學(xué)士學(xué)位。