集成電阻分壓器如何提高電動(dòng)汽車(chē)的電池系統性能

在現代電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)中，電池管理系統 (BMS) 是電池包的大腦，負責確保電池的性能、安全性和壽命。BMS 可監控多個(gè)參數，如充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，充電狀態(tài)能提供可用的剩余能量，健康狀態(tài)能評估電池電芯的整體狀況和老化程度。這些指標有助于維持高效能源使用并延遲電池的過(guò)早老化。

為了滿(mǎn)足有關(guān)電池效率和環(huán)境可持續性的法規，汽車(chē)制造商必須在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內保持非常良好的電池健康狀態(tài)。例如，加利福尼亞州空氣資源委員會(huì ) (California Air Resources Board) 提出了多項標準，要求電動(dòng)汽車(chē)在 10 年內（2030 年之前款車(chē)型為 150,000 英里）至少保持 80% 的續航里程。這是最早將于 2026 年款車(chē)型開(kāi)始實(shí)施的較低要求的結果，規定在 2031 年款車(chē)型之后繼續嚴格執行法規。類(lèi)似的標準已經(jīng)在全球生效，因此需要在 BMS 中使用更先進(jìn)的集成解決方案來(lái)提高檢測精度。在本文中，我們將介紹與分立式電阻鏈相比，集成式高壓電阻分壓器如何提供更精確且更節省空間的電壓衰減方法，從而使 BMS 能夠更好地平衡電池包并延長(cháng)其壽命。

圖1展示了電動(dòng)汽車(chē)內的電池電芯和電池管理系統。

圖1 ≥400V電動(dòng)汽車(chē)電池通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行衰減，以連接BMS的其余部分

應用基礎知識

典型的電動(dòng)汽車(chē)電池電壓為 ≥400V，行業(yè)正在朝著(zhù) 1kV 或更高電壓的趨勢發(fā)展。更高電壓的電池有助于降低最大電流要求并更大限度地提高效率。測量此電壓并將其傳達給相關(guān)車(chē)輛系統需要使用模數轉換器 (ADC) 進(jìn)行信號轉換，該轉換器通常由大約 5V 的電壓供電。ADC 不接受大于該電壓的輸入信號。

為了保護 ADC 和其他低壓元件免受相對較大的電池電壓的影響，需要使用隔離式放大器等器件來(lái)維持高壓域和低壓域之間的隔離。盡管是兩個(gè)電壓域之間的電橋，隔離式放大器只能接受與 ADC 類(lèi)似的電壓范圍，從而需要在到達隔離放大器之前衰減電池電壓。通常使用電阻分壓器實(shí)現此目的，將高電壓信號降低到電壓較低的滿(mǎn)量程范圍內。

圖 2 是直流總線(xiàn)測量的電路圖，該測量使用長(cháng)串電阻器，以便將電池電壓衰減到可接受的水平。

圖2 使用分立式電阻梯測量電池電壓的電路

分立式電阻器鏈的缺點(diǎn)

在處理大于 400V 的電壓時(shí)，必須考慮爬電距離和間隙，以防止出現電弧并確保絕緣安全。盡管傳統的電阻分壓器僅需要兩個(gè)電阻器，但為了實(shí)現爬電和間隙，高壓衰減通常采用長(cháng)鏈電阻器來(lái)增加高壓和低壓節點(diǎn)之間的物理距離。根據 IEC 60115-8，每個(gè)電阻上的最大持續壓降都受到限制；通常情況下，每個(gè) 1206 外殼尺寸表面貼裝電阻為 200V，每個(gè) 0805 外殼尺寸電阻為 150V。

該設計方法確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。即使使用精密電阻器，每個(gè)分立式電阻器的固有容差變化也可能會(huì )使分壓比出現顯著(zhù)差異，從而導致電壓測量不準確。分立式電阻器還容易因溫度變化和老化而導致電阻變化。此類(lèi)電阻器兩端的焊接點(diǎn)也會(huì )暴露在外，可能導致額外的泄漏和寄生電容或電感，除非采用保形涂層或其他保護措施，而這些措施會(huì )增加解決方案成本。

在長(cháng)鏈分立式電阻器中，這些影響會(huì )加劇，隨著(zhù)時(shí)間的推移進(jìn)一步降低電壓檢測精度；導致充電狀態(tài)和運行狀況估計錯誤，進(jìn)而導致電池管理決策欠佳（例如充電和放電周期不正確）；最終會(huì )縮短電池壽命和電動(dòng)汽車(chē)續航里程。

集成的優(yōu)勢

德州儀器 RES60A-Q1 集成電阻分壓器的寬體 SOIC 封裝經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，能滿(mǎn)足國際電工委員會(huì ) 61010 標準定義的爬電距離和間隙標準，可處理高達 1.7kV 的電壓。

該器件在性能和可靠性方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。為初始比率和超時(shí)容差指定的最大限值有助于確保分壓比準確，盡管存在老化或環(huán)境變化（如溫度變化）的影響。對于注重一致性能的應用而言，可靠性非常重要。

集成電路封裝設計省去了冗長(cháng)的分立式電阻鏈，從而減小所需的印刷電路板尺寸。這種整合不僅簡(jiǎn)化了電路布局，而且降低了組裝成本。更少的暴露節點(diǎn)可降低漏電或寄生效應產(chǎn)生誤差的可能性，無(wú)需保形涂層，并且還可能降低成本。

圖 3 是直流總線(xiàn)測量的電路圖，其中 RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1 提供了一種測量穿過(guò)隔離柵的電壓并實(shí)現小于 1% 的滿(mǎn)量程范圍誤差的方法。

圖3 采用RES60A-Q1、RES11A-Q1和AMC1311B-Q1的電池電壓測量電路

差分至單端轉換

具有差分輸出的隔離式放大器（例如德州儀器的 AMC1311B-Q1）很受歡迎，因為差分輸出非常適合承載更長(cháng)距離的信號。出于安全考慮，設計人員通常會(huì )將其低壓元件放置在遠離高壓源的位置。要將此信號饋入單端 ADC，需要通過(guò)添加集成差分放大器或在放大器周?chē)渲盟膫€(gè)分立式電阻器來(lái)進(jìn)行差分到單端轉換（請參閱圖 3）。

個(gè)別電阻器也會(huì )在分立式差分放大器實(shí)現中引入比率漂移，具體原因與分立式電阻分壓器在衰減期間引入誤差的原因相同。將集成電阻器（如 RES11A-Q1）與高精度放大器（如OPA388-Q1）相結合，可產(chǎn)生具有高共模抑制比的差分放大器，這有助于降低噪聲和減少其他誤差。

結語(yǔ)

在設計 BMS 的高電壓衰減電路時(shí)，從分立式電阻鏈過(guò)渡到 RES60A-Q1 等解決方案具有諸多優(yōu)勢。當與 RES11A-Q1 等輔助元件配合使用以進(jìn)行差分信號轉換時(shí)，這些集成器件有助于使電動(dòng)汽車(chē)長(cháng)時(shí)間維持健康的電池狀態(tài)。