幾十年來,，汽車行業(yè)一直在慢慢整合，而技術(shù)和品牌差異化卻在減少,。動力總成是將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動的系統(tǒng)，可以說是汽車制造商最寶貴的知識產(chǎn)權(quán)，經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的完善改進(jìn),。在這種情況下,，造車新勢力的出現(xiàn)就顯得令人矚目，因為意味著動力總成技術(shù)正在經(jīng)受挑戰(zhàn),。
一輛典型的內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車有一個15加侖的油箱,，相當(dāng)于近500千瓦時的電能。15加侖的汽油可轉(zhuǎn)化為內(nèi)燃機(jī)汽車375英里的續(xù)航里程,；500千瓦時的電能可轉(zhuǎn)化為電動汽車1450英里的續(xù)航里程,。這種巨大的能效優(yōu)勢是電動汽車最終取勝的原因，但如今這一代電動汽車面臨的最大問題,，是其電池容量比不上內(nèi)燃機(jī)汽車的續(xù)航里程,。
挑戰(zhàn)是什么？
電動汽車的電池包由數(shù)百個串聯(lián)工作的電芯組成,，產(chǎn)生400 V到800 V的電壓,。過度充電和過度放電會損壞電池或使其過早老化，從而降低容量或壽命,，最終導(dǎo)致電池故障,。電池管理系統(tǒng)的主要功能是確定和控制構(gòu)成電池報的每個電芯的荷電狀態(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(zhǔn)確性直接決定了荷電狀態(tài)管理的好壞?？傊?，電池管理系統(tǒng)的電子器件是盡可能提高電動汽車電池系統(tǒng)的運(yùn)行里程,、壽命,、可靠性和安全性的關(guān)鍵。
注：要想準(zhǔn)確,、連續(xù)地測量緊密結(jié)合在一起的一長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(zhí)行器,、開關(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、車輛使用年限和行駛里程等因素的影響下運(yùn)行數(shù)年。
電池管理系統(tǒng)的核心
作為集成電路（IC）和解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商,，ADI公司的電池管理產(chǎn)品專注于幾個關(guān)鍵方面：單個電芯測量（電池監(jiān)控器）,、整體電池包測量（電池包監(jiān)控器）、互連設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)（通過導(dǎo)線或無線網(wǎng)絡(luò)）,，以及控制這些設(shè)備的軟件,。這些電子裝置的目標(biāo)是讓所有電芯安全地充電到盡可能高的容量，確保整個電池包獲得最大的可儲存能量,，充分提高車輛的續(xù)航能力,。
可以說，最關(guān)鍵的設(shè)備是高電壓電池監(jiān)控器IC,。電池監(jiān)控器IC可測量串聯(lián)的電芯的電壓和溫度,，通常每個監(jiān)控器監(jiān)控12個電芯。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,。
綜合這些參數(shù)，電池管理系統(tǒng)可以在最大的安全工作范圍內(nèi)操作電池,，而不會給電池帶來壓力,。因此，這些電池監(jiān)控器的性能對于電池管理系統(tǒng)充分優(yōu)化車輛續(xù)航里程,、成本,、重量和可靠性至關(guān)重要。測量誤差會導(dǎo)致電池管理效率降低,，而ADI公司的電池管理系統(tǒng)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(jiān)控器是實現(xiàn)安全、性能和成本效益的較理想功能組合,。該系列由三個基本器件組成,，以每個器件監(jiān)控的電池數(shù)量來區(qū)分：ADBMS6816監(jiān)控六個電芯，ADBMS6817監(jiān)控八個串聯(lián)的電芯,，ADBMS6815監(jiān)控12個串聯(lián)的電芯,。三種不同的電芯監(jiān)控器數(shù)量可以滿足不同的電池配置，適用于廣泛的電池包配置,。
圖1．多電芯監(jiān)控器的簡化說明
此外,，這些部件可以通過混合和匹配的方式進(jìn)行組合，組成合適數(shù)量的電池監(jiān)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(diào)節(jié)的低通濾波，以減少這些噪聲,，確保實現(xiàn)高保真的測量,。
ADI電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)
ADBMS6815系列電池監(jiān)控器采用菊花鏈?zhǔn)交ミB設(shè)計,，使用isoSPI?雙線通信接口。這是一個穩(wěn)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(tǒng)微控制器同步操作,、輪詢和控制ADI公司的電池管理系統(tǒng)設(shè)備,。因此通過ADI電池包監(jiān)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一條通往每個設(shè)備的路徑進(jìn)行操作,，也可以通過環(huán)路配置中的雙路徑進(jìn)行操作。該環(huán)路支持在電線或連接器發(fā)生故障的情況下,，訪問所有的電芯監(jiān)控數(shù)據(jù),。
ADBMS6815系列還支持在無線電池管理系統(tǒng)（wBMS）中運(yùn)行，其中有線菊花鏈被電池監(jiān)控器的2．4 GHz無線電池管理系統(tǒng)節(jié)點所取代,。
安全
在電池管理系統(tǒng)的所有目標(biāo)中,，確保電池包的安全是最重要的。識別和補(bǔ)救集成電路內(nèi)的潛在故障需要內(nèi)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(shè)計支持ISO 26262 ASIL－D標(biāo)準(zhǔn),。
注：ISO 26262是一個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)在整個生命周期內(nèi)的安全,。ASIL－D是本ISO標(biāo)準(zhǔn)中的一種風(fēng)險分類,，代表系統(tǒng)中最高的汽車安全級別。ADI部件的設(shè)計和認(rèn)證旨在支持ASIL－D,，確保使用ADI部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)計人員可以滿足其它功能安全標(biāo)準(zhǔn),，如IEC 61508，從而也滿足非自動應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),。
低功耗電芯監(jiān)控
除了確保為車輛提供穩(wěn)定、可預(yù)測,、可靠的能源外,，電池管理系統(tǒng)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,，但電芯的缺陷會導(dǎo)致電池隨著時間的推移而縮短壽命,，并導(dǎo)致熱失控,，造成災(zāi)難性的結(jié)果。為此,，電池管理系統(tǒng)需要對可能預(yù)示任何潛在問題的情況進(jìn)行監(jiān)控,。
電芯并不會因為不使用而處于惰性狀態(tài)。作為電化學(xué)設(shè)備,，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下,，它們也會隨著時間而變化。換句話說,，即使在車輛不運(yùn)行的情況下,，電池的失效狀態(tài)也在持續(xù)發(fā)展。為了持續(xù)監(jiān)控電池包內(nèi)的電芯（即使車輛處于熄火狀態(tài)）,，ADI公司開發(fā)了低功率電池監(jiān)控（LPCM）技術(shù),。LPCM是一種先進(jìn)的電芯監(jiān)控功能，可定期自動檢查電芯的關(guān)鍵參數(shù),。通過LPCM功能,，電池監(jiān)控器會提醒電池管理系統(tǒng)喚醒，并在檢測到任何潛在問題時進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查,。如果電池監(jiān)控器未能提供定期確認(rèn)信號,，電池管理系統(tǒng)也會收到警報。
靈活性,、功能和成本效益
ADBMS6815系列提供了較理想的功能組合,，可滿足廣泛的要求，并對上述安全性,、可靠性和性能提供一些補(bǔ)充作用,。這些器件使用相同的封裝和引腳，允許設(shè)計人員以不同的通道數(shù)（每個器件監(jiān)控6,、8,、12個單體電池）構(gòu)建通用設(shè)計，通過不同的選項配置,，滿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(shù)字輸入,、數(shù)字輸出或模擬輸入操作,。當(dāng)作為模擬輸入操作時，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(zhǔn)確的荷電狀態(tài)。
圖2．有線電池管理系統(tǒng)的概要
圖3．wBMS用無線電取代了通信線路
計算這些I／O引腳也可以控制I2C或SPI子節(jié)點設(shè)備,，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能,，比如增加多路復(fù)用器，來擴(kuò)大模擬輸入或EEPROM,，從而存儲校準(zhǔn)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(dá)300mA的電流,。這實現(xiàn)了系統(tǒng)均衡，保持電池包中所有電芯的荷電狀態(tài)相等,。均衡過程可以設(shè)置為一個特定的時間段,，并在達(dá)到預(yù)先編程的閾值時自動停止。這樣,，即使在電芯監(jiān)控器處于睡眠模式時,，也能實現(xiàn)長時間的均衡。
一般特性
? 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(gòu)
■ 304 μs內(nèi)可完成系統(tǒng)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根電線和電容器或變壓器
■ 可逆通信支持環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),；即使通信路徑上有故障，也可以進(jìn)行通信
■ 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主機(jī)
■ SLEEP模式電源電流：5．5 μA
■ 48引腳7 mm × 7 mm LQFP封裝
結(jié)論
未來30年內(nèi)，世界將從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動乘用車,。汽油是一種來自有限資源的產(chǎn)品,，其使用效率極低，因而勢必會推動這種轉(zhuǎn)變,。地緣政治和環(huán)境問題只會加速這一趨勢,。電動汽車是未來的趨勢，而電池管理系統(tǒng)技術(shù)是一個關(guān)鍵的推動因素,。
領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品,，如ADBMS6815系列，正在推動未來的發(fā)展,。這些IC經(jīng)認(rèn)證符合ISO 26262 ASIL－D標(biāo)準(zhǔn),，其電芯電壓和溫度測量精度在業(yè)內(nèi)屬領(lǐng)先水平。ADBMS6815系列采用經(jīng)過道路驗證的多代電池監(jiān)控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。它們能夠有效滿足電動車隊和大型儲能系統(tǒng)不斷變化且具有挑戰(zhàn)性的要求,。設(shè)計人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品,，相信ADI市場領(lǐng)先技術(shù)可以提供當(dāng)今出色的電池管理系統(tǒng)，并在不斷擴(kuò)大創(chuàng)新基礎(chǔ)上,，促進(jìn)未來前沿系統(tǒng)的發(fā)展,。
關(guān)于ADI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(shè)計挑戰(zhàn),。憑借杰出的檢測,、測量、電源,、連接和解譯技術(shù),，搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識周圍的世界,。
作者簡介
Greg Zimmer是ADI公司電池管理系統(tǒng)部的營銷經(jīng)理,，在各種高性能信號調(diào)理IC的產(chǎn)品營銷方面擁有豐富的經(jīng)驗。Greg擁有營銷,、技術(shù)營銷,、應(yīng)用工程和模擬電路設(shè)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(jī)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(jì)學(xué)學(xué)士學(xué)位,。
