【導(dǎo)讀】隨著電池化學(xué)特性、可靠性和相關(guān)技術(shù)的日趨穩(wěn)定，汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設(shè)計(jì)人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車環(huán)境下優(yōu)化BMS測(cè)量并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。
隨著電池化學(xué)特性、可靠性和相關(guān)技術(shù)的日趨穩(wěn)定，汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設(shè)計(jì)人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車環(huán)境下優(yōu)化BMS測(cè)量并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。毫伏和毫安精度的電池測(cè)量仍是重點(diǎn)，并需要實(shí)時(shí)同步采集這些電壓和電流數(shù)據(jù)用以功率計(jì)算。
此外，BMS還須評(píng)估每次測(cè)量的有效性，因?yàn)樗枰畲笙薅鹊靥岣邤?shù)據(jù)的完整性，以識(shí)別、區(qū)分并根據(jù)錯(cuò)誤或可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。經(jīng)過持續(xù)探索和優(yōu)化，BMS IC制造商已可以提供關(guān)鍵體系架構(gòu)，以滿足電動(dòng)汽車（EV）電池管理系統(tǒng)對(duì)全面監(jiān)控，嚴(yán)格的安全性，可靠性和高性能的要求。
由于電池性能會(huì)隨正常使用而退化，因此BMS IC的選擇對(duì)于延長(zhǎng)電池組的使用壽命也至關(guān)重要。在工作過程中，電池組健康狀態(tài)（SOH）的準(zhǔn)確性可以幫助車輛電池管理電子設(shè)備在電池使用與供電控制上進(jìn)行優(yōu)化，以延長(zhǎng)電池組的剩余壽命。 電池管理IC能否在車輛使用壽命內(nèi)保持其精確的測(cè)量精度，是直接影響電池管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。電池電芯測(cè)量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會(huì)直接影響車輛的行駛里程和電池壽命，進(jìn)而影響汽車制造商的維修及經(jīng)營(yíng)成本。
為電動(dòng)汽車供電的鋰離子電池通常有8-10年的保修期。此后，則認(rèn)為其不再適用于車輛牽引，但電池可能仍保持其原始容量的80%。因此可以將車輛使用過的舊電池組以指定的剩余壽命遷移到其它需自耗電池的應(yīng)用中，進(jìn)行二次使用。
對(duì)汽車制造商而言，成功的BMS需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就仔細(xì)選擇BMS IC。制造商需要了解在整個(gè)操作環(huán)境和車輛使用壽命的過程中，特別是高電壓電池和逆變器噪聲等惡劣的電磁干擾（EMI）環(huán)境下，各個(gè)IC供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品測(cè)量精度與穩(wěn)定性之間的差異。
優(yōu)良的鋰離子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)：
• 精度——對(duì)于具有平坦放電曲線的電池類型（如磷酸鐵鋰電池），電池精度是最重要的標(biāo)準(zhǔn)；
• 全面診斷——除了監(jiān)測(cè)每個(gè)電芯的狀態(tài)外，系統(tǒng)還須不間斷地對(duì)其自身進(jìn)行功能安全檢測(cè)，以確保每個(gè)IC都以預(yù)期的精度運(yùn)行；
• 可靠通信——監(jiān)控系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都必須協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此必須確保系統(tǒng)間通信的可靠性，而大多數(shù)傳統(tǒng)通信方法則無法滿足嘈雜行車環(huán)境中這一需求。
• 安全性——系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)毓芾礓囯x子電池避免故障與安全問題。發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)必須采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，同時(shí)避免誤報(bào)。
磷酸鐵鋰電池由于其低內(nèi)部阻抗而適用于較小的電池組。這種電池類型使系統(tǒng)工程師需要檢測(cè)電池放電時(shí)電池電壓的細(xì)微變化。而測(cè)量這些微小變化需要復(fù)雜的模擬前端（AFE）、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)以及精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這對(duì)BMS IC設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
多電池平衡IC中的關(guān)鍵要素
準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)是所有BMS IC的核心。芯片所采用的參考拓?fù)漕愋透鞑幌嗤?，帶隙結(jié)構(gòu)是最常用的，它們?cè)诰扰c芯片面積之間，以及整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度都做了最佳的權(quán)衡。例如，ISL78714鋰電池組管理IC使用了精確的帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用記錄，并非常適合要求苛刻的汽車應(yīng)用。該技術(shù)穩(wěn)定、成熟、特點(diǎn)鮮明，并經(jīng)過多年應(yīng)用及優(yōu)化。準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)直接影響汽車制造商的保修和經(jīng)營(yíng)成本指標(biāo)，是設(shè)計(jì)人員計(jì)算車輛電池壽命時(shí)考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。
除了精度基準(zhǔn)，用于測(cè)量精度的另一個(gè)關(guān)鍵功能模塊是ADC，主電池電壓測(cè)量模塊。兩種最流行和最常用的ADC類型是逐次逼近寄存器（SAR）和delta-sigma。在這兩種技術(shù)中，SAR具有最快的采樣率，能夠提供高速的電壓轉(zhuǎn)換和出色的抗噪性，但往往需要更大的芯片面積。SAR ADC是可以提供數(shù)據(jù)采集速度、精度、強(qiáng)度和抗電磁干擾能力組合的最佳選擇。
IC設(shè)計(jì)人員也會(huì)傾向于delta-sigma ADC，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰^小的芯片面積且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。但由于使用了抽取濾波器，它們的速度往往較慢，這會(huì)降低采樣率和數(shù)據(jù)采集速度。采用delta-sigma ADC時(shí)的另一個(gè)考慮因素是在受到EMI干擾時(shí)趨于飽和，這可能導(dǎo)致在準(zhǔn)確報(bào)告電芯電壓時(shí)出現(xiàn)延遲（通常為三個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期）。
單個(gè)電池的接口由AFE管理，該AFE包括輸入緩沖器、電平移位器和故障檢測(cè)電路。當(dāng)電池最初連接到BMS時(shí)，AFE是處理熱插拔瞬變的關(guān)鍵。BMS IC采用全差分AFE設(shè)計(jì)，可在不影響相鄰電池測(cè)量的情況下測(cè)量負(fù)輸入電壓（±5V），這在需要總線互聯(lián)的系統(tǒng)中十分有利。為提高瞬態(tài)條件下的強(qiáng)度，電池電壓輸入端增加了一個(gè)外部低通濾波器。
輸入濾波的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化，在不影響速度或精度的同時(shí)獲得最大的EMI和熱插拔抗擾度。相比之下，使用雙極而非電荷耦合AFE的集成電路的精度和長(zhǎng)期偏移會(huì)因?yàn)橥獠枯斎霝V波器選擇的組件值而大大降低。圖1顯示了BMS IC的三個(gè)功能模塊及其互聯(lián)的簡(jiǎn)化圖示。
圖1. ISL78714鋰電池組管理器的簡(jiǎn)化框圖
穩(wěn)定的線性帶隙基準(zhǔn)、SAR ADC和全差分AFE相結(jié)合，使鋰電池組管理器具有快速的數(shù)據(jù)采集能力、強(qiáng)度和精度。BMS IC的高精確度并不僅僅依靠出廠時(shí)的測(cè)量精度值，還需要在安裝到印刷電路板（PCB）后進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。圖2a和2b顯示了集成電路在電池電壓和溫度范圍內(nèi)的精度，這對(duì)于電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言至關(guān)重要，因?yàn)樗麄冃枰到y(tǒng)誤差預(yù)算值來保證車輛的使用壽命，并須考慮可靠且可預(yù)測(cè)的精度指標(biāo)。
圖2a 圖2b
圖2. 30塊BMS板組裝1000小時(shí)后的測(cè)試數(shù)據(jù)
因此，建議設(shè)計(jì)人員仔細(xì)檢查，并應(yīng)在每個(gè)IC供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表之間詳細(xì)比較，尤其是精度、數(shù)據(jù)采集速度和輸入濾波器要求（包括它們對(duì)精度的影響）等方面。
PCB布板與配置的注意事項(xiàng)
焊接會(huì)在PCB上產(chǎn)生應(yīng)力，使BMS集成電路在X和Y兩個(gè)平面發(fā)生彎曲，從而在硅特性中產(chǎn)生亞原子應(yīng)力，進(jìn)而影響集成電路的性能。由于基準(zhǔn)是測(cè)量電路的關(guān)鍵因素，其特性的任何變化都會(huì)直接影響ADC的精度，這是精密芯片行業(yè)中眾所周知的現(xiàn)象。芯片設(shè)計(jì)者可通過將敏感電路小心地放置在不太可能受焊接和其它制造應(yīng)力影響的芯片區(qū)域中，來解決這一問題。
或者，IC設(shè)計(jì)人員可以選擇更昂貴的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)，例如在同一IC封裝內(nèi)放置單獨(dú)的基準(zhǔn)裸片或使用單獨(dú)的離散基準(zhǔn)芯片。無論使用哪種IC技術(shù)，PCB的設(shè)計(jì)和制造階段都至關(guān)重要。因此，精確的IC布板技術(shù)以及對(duì)芯片安裝和焊接方案的細(xì)致考量，會(huì)幫助緩解很多問題。
例如，BMS設(shè)計(jì)人員遵循ISL78714推薦的PCB布板指南和焊接回流曲線，會(huì)看到IC板級(jí)單元讀數(shù)精度和長(zhǎng)期漂移特性均為對(duì)數(shù)且可預(yù)測(cè)。該IC的長(zhǎng)期漂移性能數(shù)據(jù)來自25°C的實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)試及加速的壽命測(cè)試。完整使用壽命精度是初始板級(jí)精度和壽命偏移（例如，總和平均值和RSS標(biāo)準(zhǔn)偏差）的矢量和。圖3顯示了在15年的使用壽命內(nèi)典型的電池讀取偏差的結(jié)果。
圖3. 在±6σ（焊后）下的初始板級(jí)電池誤差 vs. 使用壽命
結(jié)論
電池管理設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是電池性能，而在車輛使用壽命中，BMS IC是否有能力保持其測(cè)量精度會(huì)直接影響電池性能。電池電量測(cè)量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會(huì)直接影響車輛的行駛里程和電池壽命，進(jìn)而影響汽車制造商的保修及經(jīng)營(yíng)成本。有各種具有不同精度測(cè)量拓?fù)浜图夹g(shù)的BMS IC可供選用，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮如何選擇和使用。優(yōu)化BMS設(shè)計(jì)并了解測(cè)量、方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的潛在差異，以及它們之間相互關(guān)系，對(duì)于選擇最適合其EV應(yīng)用的BMS 芯片至關(guān)重要。
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