與燃油箱是單個(gè)儲(chǔ)能裝置不同，電動(dòng)汽車 （EV） 電池組由數(shù)百個(gè)鋰離子電池組組成。這些電池的容量和使用壽命會(huì)隨著時(shí)間而不同，除非仔細(xì)管理。電池管理系統(tǒng) （BMS） 的工作是盡可能從每個(gè)電池中提取容量和使用壽命，同時(shí)提高安全性和可靠性。電池監(jiān)控IC是該系統(tǒng)的核心。利用IC提供的電池測(cè)量值，可以計(jì)算每個(gè)單元的充電狀態(tài)（SOC）和老化狀態(tài)（SOH）作為確定電池狀態(tài)的主要參數(shù)。 本文介紹了 ADBMS6815 高壓電池單元監(jiān)控 IC 系列的 Analog Devices。這些 IC 產(chǎn)品可用于最大化電動(dòng)汽車電池組的容量、安全性、可靠性和使用壽命。

前綴

隨著汽車行業(yè)幾十年的逐步標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)和品牌的差異化變得相當(dāng)弱。動(dòng)力總成是將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，可能是汽車公司最寶貴的智力資產(chǎn)（IP）。一百多年來，動(dòng)力總成一直在不斷的技術(shù)進(jìn)步。隨著全新的汽車公司不斷涌出，動(dòng)力總成面臨著全面的挑戰(zhàn)。

典型的內(nèi)燃機(jī) （ICE） 汽車包括高達(dá) 15 加侖（約 57 升）的燃油箱。這相當(dāng)于大約 500 kWhr 的電能。15加侖汽油可以跑375英里（603公里）的ICE。但是，如果電能為 500 kWhr，則 EV 可行駛 1，450 英里（2，333 公里）。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，這種絕對(duì)優(yōu)勢(shì)將使EV成為最終的贏家。然而，在這樣的旅程中，還有一段尚未修復(fù)。EV 今天面臨的最大挑戰(zhàn)是，它沒有足夠的電池容量來與 ICE 汽車的續(xù)航里程相媲美。

需要解決的挑戰(zhàn)

EV 電池組由數(shù)百個(gè)電池組成。這些電池串聯(lián)工作，產(chǎn)生 400 V 至 800 V 的電壓。過度充電或過度放電會(huì)損壞細(xì)胞或?qū)е录?xì)胞突然老化。這導(dǎo)致容量或壽命的縮短，并最終導(dǎo)致電池故障。BMS 的主要功能是計(jì)算和控制構(gòu)成包的每個(gè)單元的 SOC 和 SOH。將鋰離子電池充電至 100% SOC 或放電至 0% SOC 會(huì)降低電池容量。為了計(jì)算SOC，必須測(cè)量電池電壓和溫度，這種測(cè)量精度直接影響SOC的管理效果。簡(jiǎn)而言之，BMS 中的電子器件在最大化 EV 電池系統(tǒng)的操作范圍、使用壽命、可靠性和安全性方面起著關(guān)鍵作用。

精確、連續(xù)地測(cè)量所有串聯(lián)高壓電池單元絕非易事。此測(cè)量不應(yīng)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。測(cè)量設(shè)備本身也必須與電池組的高電壓進(jìn)行電氣隔離。此外，這些設(shè)備必須承受機(jī)械磨損、天氣條件和車輛里程老化，并東海多年。

BMS 的關(guān)鍵要素

作為行業(yè)領(lǐng)先的 IC 和解決方案供應(yīng)商，ADI 的電池管理系統(tǒng) （BMS） 產(chǎn)品專注于幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。這包括單個(gè)單元測(cè)量（單元監(jiān)控）、完整包測(cè)量（包監(jiān)控）、用于連接它們的通信網(wǎng)絡(luò)（有線或無線網(wǎng)絡(luò)）以及用于控制這些設(shè)備的軟件。使用這些組件的目的是在整個(gè)包裝中存儲(chǔ)最大能量，同時(shí)將所有電池組安全地充電到最大容量，并最大限度地提高 EV 的續(xù)航里程。

其中，一個(gè)特別重要的設(shè)備是高壓?jiǎn)卧O(jiān)控IC。電池監(jiān)控 IC 測(cè)量串聯(lián)電池單元的電池電壓和溫度，通常有 12 個(gè)通道。電池電壓和溫度是主要參數(shù)，測(cè)量精度和同步性是主要特征。

結(jié)合這些信息，BMS 使單元在各自的安全操作范圍內(nèi)以最大容量運(yùn)行。因此，這些電池監(jiān)控設(shè)備在最大化車輛行駛里程、降低成本和重量以及提高可靠性方面的作用至關(guān)重要。這是因?yàn)榇颂幇l(fā)生的測(cè)量誤差會(huì)妨礙有效的電池管理。ADI 的 BMS 產(chǎn)品始終提供業(yè)內(nèi)最精確的測(cè)量能力。

ADI最近推出的亞行MS6815精密電池監(jiān)控IC系列具有安全性、性能和成本效益的所有特性。目前，該系列由三個(gè)不同通道的監(jiān)控產(chǎn)品組成。亞行MS3監(jiān)控6816個(gè)電池單元，亞行MS6串聯(lián)監(jiān)控6817個(gè)電池單元，亞行MS8串聯(lián)監(jiān)控6815個(gè)電池單元。它提供三種不同的電池單元，以滿足各種電池組配置要求，以實(shí)現(xiàn)廣泛的電池組配置。

此外，這些 IC 的各種組合可以構(gòu)建所需數(shù)量的單元監(jiān)控通道。由于操作環(huán)境還包括惡劣的電氣噪聲，因此這些產(chǎn)品通過包括可設(shè)置的低通濾波（低通濾波）來降低噪聲并實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

圖1： 多芯電池監(jiān)控IC

ADI的BMS通信技術(shù)

亞行MS6815單元監(jiān)控IC系列是isoSPI?它旨在使用稱為 2 線的通信接口進(jìn)行菊花鏈連接。isoSPI?是可靠的，對(duì) EMI 具有較高的耐受性，通過實(shí)現(xiàn)電氣隔離網(wǎng)絡(luò)，ADI 的 BMS 設(shè)備可以從 BMS MCU 同步運(yùn)行、輪詢和控制。同步測(cè)量包中的所有單元，并使用包監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控包電流和封裝電壓。可以使用此菊花鏈為每個(gè)設(shè)備配置一個(gè)路徑，也可以使用雙路徑作為環(huán)路配置運(yùn)行。環(huán)路配置允許在發(fā)生導(dǎo)線或連接器故障時(shí)訪問所有單元監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)。

亞行MS6815系列也可以作為無線BMS（wBMS）運(yùn)行。在這種情況下，必須將有線菊花鏈從蜂窩監(jiān)控設(shè)備更改為 2.4 GHz 無線 BMS 節(jié)點(diǎn)。

圖 3：wBMS 以無線方式替換通信導(dǎo)線。

安全

在 BMS 的所有要求中，電池組的安全性尤為重要。為了檢測(cè)和處理 IC 中的潛在缺陷，需要與 BIST（自帶）功能冗余。解決方案包括冗余測(cè)量路徑、輸入信號(hào)之間的增強(qiáng)同步、自檢功能等。

亞行MS6815系列旨在滿足ISO 26262 ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 26262 是一項(xiàng)普遍采用的汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)，旨在確保車輛電氣設(shè)備和系統(tǒng)的整個(gè)生命周期的安全。ASIL-D 等級(jí)是 ISO 標(biāo)準(zhǔn)定義的最高級(jí)別的汽車安全要求。通過認(rèn)證 ADI 產(chǎn)品符合 ASIL-D 標(biāo)準(zhǔn)，使使用 ADI 部件的汽車制造商能夠減少獲得認(rèn)證所需的時(shí)間。

此外，通過滿足 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)其他功能安全標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC 61508。

低功耗電池監(jiān)控

BMS 不僅為汽車驅(qū)動(dòng)提供可靠、可預(yù)測(cè)和可靠的能源，而且確保電池本身始終安全運(yùn)行。在極少數(shù)情況下，電池故障會(huì)導(dǎo)致電池短路，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生熱失控，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，BMS 應(yīng)能夠立即檢測(cè)到任何異常情況。

電池未使用，因此不會(huì)停止活動(dòng)。作為電化學(xué)元件，即使不使用電池，其特性也會(huì)隨時(shí)間而變化。也就是說，即使車輛關(guān)閉，單元內(nèi)的問題也將繼續(xù)存在。因此，為了持續(xù)監(jiān)控電池組內(nèi)的電池，即使在車輛關(guān)閉的情況下，ADI 也開發(fā)了稱為低功耗電池監(jiān)控 （LPCM） 的電池。LPCM 是一種進(jìn)化的電池監(jiān)控功能，可自行定期測(cè)量電池的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)使用 LPCM 功能檢測(cè)到任何異常時(shí)，蜂窩監(jiān)控設(shè)備會(huì)向 BMS 發(fā)送警報(bào)，以便采取必要的措施。當(dāng)單元監(jiān)視設(shè)備未定期做出正常的確認(rèn)響應(yīng)時(shí)，也會(huì)向 BMS 發(fā)送警報(bào)。

在下面的視頻中，您可以看到 ADI 如何在發(fā)生此類問題時(shí)解決這些問題：https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html

靈活性、功能性和經(jīng)濟(jì)性

除了上述安全性、可靠性和性能外，ADBMS6815 系列還具有滿足各種應(yīng)用需求的特性。由于這些設(shè)備產(chǎn)品具有相同的封裝和引腳，因此支持的通道數(shù)可以適當(dāng)?shù)亟M合不同的產(chǎn)品（每個(gè)設(shè)備 6 個(gè)、8 個(gè)、12 個(gè)電池單元監(jiān)控），以滿足各種電池組或電池模塊配置。這些產(chǎn)品還可用于數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或模擬輸入的通用 I/O。當(dāng)用作模擬輸入時(shí)，可以測(cè)量 5 V 以內(nèi)的任何電壓，測(cè)量精度與電池測(cè)量相同。通過將單個(gè)單元測(cè)量與輔助測(cè)量（如溫度或電流）同步，可以更精確地進(jìn)行 SOC 計(jì)算。

此外，由于這些 I/O 引腳可以控制 I2C 或 SPI 子諾德設(shè)備，因此可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，如添加多路復(fù)用器以擴(kuò)展模擬輸入或使用 EEPROM 存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息。最后，這些產(chǎn)品包括電池平衡功能，可將電流放電至300mA。因此，它可以在包中的所有單元中保持均勻的 SOC。可以將均衡過程設(shè)置為特定的時(shí)間間隔，并在充電量達(dá)到編程閾值時(shí)自動(dòng)停止充電。因此，即使電池監(jiān)控設(shè)備處于睡眠模式，也可以長(zhǎng)時(shí)間平衡。

常見功能

亞行MS6815（12通道）

亞行MS6817（8通道）

亞行MS6816（6通道）

ASIL-D 級(jí)支持

整個(gè)生命周期的最大總測(cè)量誤差：1.5 mV

高壓電池組的可包裝架構(gòu)

僅 304s 即可測(cè)量系統(tǒng)中的所有單元

16 位 ADC，帶可編程噪聲濾波器

每個(gè)通道 300 mA 的無源電池平衡，包括可編程 PWM 控制

2 Mbps 電氣隔離 isoSPI 通信

僅使用兩根導(dǎo)線和電容器或變壓器

反向通信支持環(huán)形拓?fù)洌杭词雇ㄐ怕窂接泄收希材苓M(jìn)行通信

七個(gè)通用接口引腳，提供模擬輸入、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出：支持溫度傳感器，可配置為 I7C 或 SPI 主引腳

5.5 A 睡眠模式電流

48 針 7 毫米 x 7 毫米 LQFP 封裝

結(jié)語(yǔ)

未來30年，世界各地的汽車將從ICE汽車轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車。石油是一種有限的資源，而且作為汽車燃料的效率也非常低。對(duì)環(huán)境的擔(dān)憂也助長(zhǎng)了這一轉(zhuǎn)變。電動(dòng)汽車將成為我們的未來，BMS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)方面起著關(guān)鍵作用。

為了實(shí)現(xiàn)這一未來，可以使用領(lǐng)先的 BMS 產(chǎn)品，如亞行 MS6815 系列。這些 IC 產(chǎn)品符合 ISO 26262 ASIL-D 認(rèn)證，可提供業(yè)內(nèi)最高的電池電壓和溫度測(cè)量精度。亞行MS6815系列基于幾代經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的電池監(jiān)控IC經(jīng)驗(yàn)，超越了汽車和工業(yè)應(yīng)用的環(huán)境、可靠性和安全要求，可有效滿足電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷變化的需求。通過選擇 ADI，設(shè)計(jì)人員可以使用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的 BMS。

審核編輯：郭婷