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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)法滿足嘈雜行車環(huán)境中這一需求。

• 安全性——系統(tǒng)通過(guò)適當(dāng)?shù)毓芾礓囯x子電池避免故障與安全問(wèn)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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。