電動(dòng)車電池背后的先進(jìn)技術(shù)

幾十年來(lái)，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(dòng)力總成是將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，可以說(shuō)是汽車制造商最寶貴的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的完善改進(jìn)。在這種情況下，造車新勢(shì)力的出現(xiàn)就顯得令人矚目，因?yàn)橐馕吨鴦?dòng)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(gè)15加侖的油箱，相當(dāng)于近500千瓦時(shí)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(shí)的電能可轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車1450英里的續(xù)航里程。這種巨大的能效優(yōu)勢(shì)是電動(dòng)汽車最終取勝的原因，但如今這一代電動(dòng)汽車面臨的最大問(wèn)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(dòng)汽車的電池包由數(shù)百個(gè)串聯(lián)工作的電芯組成，產(chǎn)生400 V到800 V的電壓。過(guò)度充電和過(guò)度放電會(huì)損壞電池或使其過(guò)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(bào)的每個(gè)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(huì)降低其容量。確定荷電狀態(tài)需要測(cè)量電池電壓和溫度，這些測(cè)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(dòng)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(cè)量緊密結(jié)合在一起的一長(zhǎng)串高壓電池串中的所有電芯，絕非易事。測(cè)量需要不受逆變器、執(zhí)行器、開(kāi)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(gè)關(guān)鍵方面：?jiǎn)蝹€(gè)電芯測(cè)量（電池監(jiān)控器）、整體電池包測(cè)量（電池包監(jiān)控器）、互連設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)（通過(guò)導(dǎo)線或無(wú)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(gè)電池包獲得最大的可儲(chǔ)存能量，充分提高車輛的續(xù)航能力。

可以說(shuō)，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(cè)量串聯(lián)的電芯的電壓和溫度，通常每個(gè)監(jiān)控器監(jiān)控12個(gè)電芯。電池電壓和溫度是關(guān)鍵參數(shù)；測(cè)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(huì)給電池帶來(lái)壓力。因此，這些電池監(jiān)控器的性能對(duì)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(cè)量誤差會(huì)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(cè)量能力。

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密電池監(jiān)控器是實(shí)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(gè)基本器件組成，以每個(gè)器件監(jiān)控的電池?cái)?shù)量來(lái)區(qū)分：ADBMS6816監(jiān)控六個(gè)電芯，ADBMS6817監(jiān)控八個(gè)串聯(lián)的電芯，ADBMS6815監(jiān)控12個(gè)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(jiǎn)化說(shuō)明

此外，這些部件可以通過(guò)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(shí)現(xiàn)高保真的測(cè)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(jì)，使用isoSPI?雙線通信接口。這是一個(gè)穩(wěn)定可靠、對(duì)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(guò)ADI電池包監(jiān)控器件，可以同步測(cè)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(guò)一條通往每個(gè)設(shè)備的路徑進(jìn)行操作，也可以通過(guò)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(wèn)所有的電芯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

ADBMS6815系列還支持在無(wú)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(wú)線電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(cè)量路徑、改進(jìn)輸入信號(hào)之間的同步、自檢能力等等。

ADBMS6815系列零件的設(shè)計(jì)支持ISO 26262 ASIL－D標(biāo)準(zhǔn)。

注：ISO 26262是一個(gè)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(gè)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(xiǎn)分類，代表系統(tǒng)中最高的汽車安全級(jí)別。ADI部件的設(shè)計(jì)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(guò)滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(dòng)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(cè)、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(jiàn)，但電芯的缺陷會(huì)導(dǎo)致電池隨著時(shí)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(duì)可能預(yù)示任何潛在問(wèn)題的情況進(jìn)行監(jiān)控。

電芯并不會(huì)因?yàn)椴皇褂枚幱诙栊誀顟B(tài)。作為電化學(xué)設(shè)備，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，它們也會(huì)隨著時(shí)間而變化。換句話說(shuō)，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(kāi)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(dòng)檢查電芯的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)LPCM功能，電池監(jiān)控器會(huì)提醒電池管理系統(tǒng)喚醒，并在檢測(cè)到任何潛在問(wèn)題時(shí)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(hào)，電池管理系統(tǒng)也會(huì)收到警報(bào)。

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(duì)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(jì)人員以不同的通道數(shù)（每個(gè)器件監(jiān)控6、8、12個(gè)單體電池）構(gòu)建通用設(shè)計(jì)，通過(guò)不同的選項(xiàng)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(shí)，它們可以測(cè)量5 V以下的任何電壓，測(cè)量精度與原電池相同。此外，這些輔助測(cè)量，如溫度或電流測(cè)量，可與電芯測(cè)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(wú)線電取代了通信線路

計(jì)算這些I／O引腳也可以控制I2C或SPI子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，比如增加多路復(fù)用器，來(lái)擴(kuò)大模擬輸入或EEPROM，從而存儲(chǔ)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(shí)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(guò)程可以設(shè)置為一個(gè)特定的時(shí)間段，并在達(dá)到預(yù)先編程的閾值時(shí)自動(dòng)停止。這樣，即使在電芯監(jiān)控器處于睡眠模式時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(jí)：D

■ 最大使用壽命總測(cè)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(cè)量

■ 具有可編程噪聲濾波器的16位ADC

■ 每通道300 mA的無(wú)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(gè)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(lái)30年內(nèi)，世界將從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)乘用車。汽油是一種來(lái)自有限資源的產(chǎn)品，其使用效率極低，因而勢(shì)必會(huì)推動(dòng)這種轉(zhuǎn)變。地緣政治和環(huán)境問(wèn)題只會(huì)加速這一趨勢(shì)。電動(dòng)汽車是未來(lái)的趨勢(shì)，而電池管理系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。

領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，如ADBMS6815系列，正在推動(dòng)未來(lái)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(cè)量精度在業(yè)內(nèi)屬領(lǐng)先水平。ADBMS6815系列采用經(jīng)過(guò)道路驗(yàn)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(dòng)車隊(duì)和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷變化且具有挑戰(zhàn)性的要求。設(shè)計(jì)人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品，相信ADI市場(chǎng)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(lái)前沿系統(tǒng)的發(fā)展。