找到電池管理和牽引逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本和性能最佳點(diǎn)

即使電池技術(shù)和機(jī)電技術(shù)取得了進(jìn)步，原始設(shè)備制造商也難以滿足對超低排放性能、車輛續(xù)航里程和消費(fèi)者負(fù)擔(dān)能力的期望。隔離、電源管理、磁感應(yīng)和電池管理系統(tǒng) （BMS） 領(lǐng)域的創(chuàng)新可以幫助 OEM 滿足對超低排放、續(xù)航里程和車輛成本的期望。

簡介—技術(shù)創(chuàng)新將解除電動汽車大規(guī)模采用的最后障礙

目前有兩個(gè)主要中斷影響著車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來。首先是從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動機(jī)驅(qū)動。第二個(gè)是基于寬帶隙材料的新型功率開關(guān)（用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)）的出現(xiàn)。這些提供的品質(zhì)因數(shù)比基于硅的現(xiàn)有解決方案好10倍。然而，由于電池占最終車輛成本的25%以上，優(yōu)化能源使用是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電動汽車（EV）采用的關(guān)鍵之一。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)意味著認(rèn)識到每一瓦特都是至關(guān)重要的，并將子系統(tǒng)效率作為汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

動力總成電源管理的最新進(jìn)展（見圖1）——包括隔離式柵極驅(qū)動器、傳感和BMS——為設(shè)計(jì)人員提供了發(fā)揮創(chuàng)造力的機(jī)會，以提高系統(tǒng)效率，同時(shí)控制系統(tǒng)成本。

圖1.EV動力總成系統(tǒng)。

新型隔離式柵極驅(qū)動器技術(shù)

碳化硅 （SiC） MOSFET 旨在被電動汽車傳動系統(tǒng)中的下一代牽引逆變器采用，與現(xiàn)有的硅基技術(shù)相比，普遍預(yù)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)電動汽車行駛循環(huán)中增加 4% 至 10% 的續(xù)航里程。 如果與支持組件一起得到適當(dāng)利用，這種功率效率的提高可能代表在建立消費(fèi)者對電動汽車系列的信心方面向前邁出了一大步， 從而有助于加速電動汽車的采用。

隔離式柵極驅(qū)動器的第一個(gè)目標(biāo)是保護(hù)人員和設(shè)備免受 SiC 開關(guān)兩端的高壓的影響。第二個(gè)是確保通過隔離柵的短而準(zhǔn)確的傳播延遲。事實(shí)上，在支腿配置中，就像在牽引逆變器系統(tǒng)中一樣，有兩個(gè)晶體管（一個(gè)高端和一個(gè)低邊），它們不應(yīng)該同時(shí)打開以避免短路。因此，來自微控制器并進(jìn)入晶體管柵極的脈寬調(diào)制（PWM）信號需要具有類似的傳播延遲。然后，由于需要補(bǔ)償任何延遲，短傳播延遲可實(shí)現(xiàn)最快的控制環(huán)路。

除此之外，隔離式柵極驅(qū)動器將負(fù)責(zé)設(shè)置最佳開關(guān)最佳點(diǎn)，控制電源開關(guān)過熱，檢測和防止短路，以及促進(jìn)在ASIL D系統(tǒng)中插入子模塊驅(qū)動/開關(guān)功能。

SiC開關(guān)的所有內(nèi)在優(yōu)勢都會被常見的噪聲擾動以及由于管理不善的電源開關(guān)環(huán)境中產(chǎn)生的超快電壓和電流瞬變而導(dǎo)致的極高和破壞性電壓過沖所抵消。從廣義上講，盡管底層技術(shù)，SiC開關(guān)的功能相對簡單（它只是一個(gè)3端子設(shè)備），但它必須小心地與系統(tǒng)接口。

隔離：系統(tǒng)效率的關(guān)鍵要素

SiC開關(guān)引入的高壓擺率瞬變會破壞隔離柵上的數(shù)據(jù)傳輸，因此測量和了解系統(tǒng)對這些瞬變的敏感性至關(guān)重要?；诰哂泻窬埘啺方^緣的變壓器的技術(shù)（見圖2）表現(xiàn)出理想的共模瞬變抗擾度（CMTI），測量性能高達(dá)200 V/ns及以上。聚酰亞胺絕緣技術(shù)在安全操作下釋放了SiC開關(guān)時(shí)間的全部潛力。

圖2.具有厚聚酰亞胺絕緣的變壓器。數(shù)字隔離器采用晶圓代工CMOS工藝。變壓器是差分的，具有出色的共模瞬態(tài)抗擾度。

開關(guān)能量和電磁兼容性（EMC）同樣可以最大化，以提高功率性能，并最終提高EV續(xù)航里程。更高的驅(qū)動能力使設(shè)計(jì)人員具有更快的邊沿速率，從而降低開關(guān)損耗。更高的驅(qū)動能力不僅有助于提高效率，而且無需為每個(gè)柵極驅(qū)動器分配外部緩沖器，從而節(jié)省電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要更慢地切換以達(dá)到最佳效率，甚至在研究表明可以進(jìn)一步提高效率的階段。ADuM4177預(yù)發(fā)布的30 A柵極驅(qū)動器提供一流的驅(qū)動強(qiáng)度、可調(diào)壓擺率（見圖3）和SPI。該器件的額定峰值和直流工作電壓為 DIN VDE V VD0884-11，可用于 400 V 或 800 V 系統(tǒng)。圖4和圖5顯示了600 V/460 A時(shí)的11 mJ導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)能量。人們還可以注意到，在開啟時(shí)振鈴很小，在關(guān)閉時(shí)也有非常好的過沖控制。

圖3.利用ADuM4177控制壓擺率。

圖4.ADuM4177驅(qū)動CAB450M12XM3，在600 V/460 A時(shí)導(dǎo)通11 mJ。

Figure 5. ADuM4177 driving CAB450M12XM3 showing 11 mJ turn-off at 600 V/460 A.

No Compromise with Robustness

短路是基于SiC的功率開關(guān)（MOSFET）的主要障礙，因?yàn)?a target="_blank">芯片尺寸更小，熱包絡(luò)非常嚴(yán)格。柵極驅(qū)動器提供對電動汽車動力總成可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化至關(guān)重要的短路保護(hù)。

高性能柵極驅(qū)動器已在實(shí)際測試中證明了其價(jià)值。在短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)中，性能可分別低至300 ns和800 ns。為了提高安全性和保護(hù)性，測試結(jié)果證明了可調(diào)節(jié)的軟關(guān)斷功能對于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

進(jìn)入磁阻（MR）電流傳感器技術(shù)

如圖1所示，逆變器控制環(huán)路需要檢測直流和相電流。使用SiC電源開關(guān)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速率和開關(guān)頻率，當(dāng)控制環(huán)路具有足夠的相位裕量時(shí)，這可以提高效率和更好地調(diào)節(jié)負(fù)載。為了在開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)恒定響應(yīng)和低相位延遲，電流測量的頻率需要至少高出十倍頻程。這使得電流檢測解決方案的帶寬成為充分利用SiC開關(guān)的關(guān)鍵因素。

霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)最高性能的障礙

牽引逆變器中測量電流的傳統(tǒng)方法利用霍爾傳感器，霍爾傳感器通過測量流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場來工作。然而，它們?nèi)狈`敏度需要使用磁通量集中器（或磁芯）來放大磁場，以便可以對其進(jìn)行測量。結(jié)合霍爾傳感器和磁芯的模塊廣泛可用，但可能會對系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成重大限制。這些模塊笨重、笨重且容易發(fā)生機(jī)械損壞，這可能會成為導(dǎo)致現(xiàn)場退貨的可靠性問題。此外，磁芯中磁性材料的存在會對頻率響應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，除非使用特殊且昂貴的材料。如今，這些模塊的帶寬限制在50 kHz至100 kHz。這種帶寬限制需要在控制環(huán)路中做出妥協(xié)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的整體降低。

使用分流解決方案的挑戰(zhàn)

另一種測量低電流的方法是通過分流器、電流檢測放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。分流器已經(jīng)存在多年，隨著時(shí)間的推移不斷改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)它們眾所周知的穩(wěn)定性。然而，分流解決方案的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是自發(fā)熱（功耗為R×I2）和在某些應(yīng)用中需要隔離?？梢酝ㄟ^降低分流電阻來降低自發(fā)熱，但這也會降低目標(biāo)信號的幅度。分流器還具有寄生電感，這限制了要測量的電流的帶寬。由于這些限制，電力系統(tǒng)必須尋求不同的技術(shù)來解決其當(dāng)前的測量挑戰(zhàn)。

下一代電流測量和更簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：MR傳感器

MR傳感器還通過測量流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場來工作。然而，MR 傳感器可能比霍爾傳感器靈敏得多，因此無需磁芯。沒有這種屏障，MR傳感器本身的固有功能，如高帶寬、精度和低偏移，允許更簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

去除笨重的磁芯意味著必須額外注意相位之間的串?dāng)_和外部磁干擾的可能性。ADI公司的解決方案利用MR傳感器的設(shè)計(jì)靈活性來減弱此類干擾的影響。ADI提供設(shè)計(jì)指南和工具，幫助工程師設(shè)計(jì)無芯電流測量系統(tǒng)。

使用 AMR 傳感器的無芯傳感

圖6顯示的解決方案不僅比基于磁芯的解決方案具有更高的帶寬、精度和更輕便，而且還基于標(biāo)準(zhǔn)PCB，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和集成成本。它提出了一個(gè)環(huán)形架構(gòu)，由六個(gè)各向異性磁阻（AMR）傳感器組成，排列成一個(gè)圓圈，以積分要測量的磁場。磁場的積分將抑制外部雜散場，從而實(shí)現(xiàn)對均勻雜散場的高抑制和低串?dāng)_。每個(gè)單獨(dú)的傳感器都感測放置在電路板中心的導(dǎo)線/母線產(chǎn)生的磁場。這些傳感器的輸出在模擬域中相加，產(chǎn)生的電壓輸出與流入導(dǎo)體的電流成正比。

圖6.采用環(huán)形架構(gòu)的無芯傳感。

使用的傳感器數(shù)量可以變化，以實(shí)現(xiàn)對雜散場或環(huán)內(nèi)導(dǎo)線放置公差的不同魯棒性。環(huán)的直徑可以放大或縮小，以匹配系統(tǒng)的目標(biāo)電流范圍。通過這種方式，單一設(shè)計(jì)方法（但可能具有多種尺寸）允許跨系統(tǒng)和平臺重用，從而縮短開發(fā)時(shí)間并降低系統(tǒng)成本。

ADI將發(fā)布面向儀器儀表和工業(yè)市場的ADAF1080。ADAF1080具有高磁性范圍、固有隔離測量以及整個(gè)壽命和溫度范圍內(nèi)的零失調(diào)特性，可在閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低輸出紋波和高效率，為下一代電流測量鋪平道路。ADAF1080可實(shí)現(xiàn)非接觸式和非內(nèi)核電流測量，帶寬為3 dB，最高可達(dá)2 MHz。 總之，這些性能提高了逆變器效率，從而延長了車輛的續(xù)航里程。

電源管理

在實(shí)現(xiàn)最高性能的道路上，EV 處于“開啟”、“待機(jī)”或“睡眠”模式，每一瓦都很重要。尖端的電源管理解決方案可以進(jìn)一步提高車輛的整體效率，這與額外的里程相關(guān)，同時(shí)不會影響從低電流/低電壓到高電流/高壓應(yīng)用的最佳EMC性能。

高壓反激式電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在功能安全的系統(tǒng)中，電壓供應(yīng)的連續(xù)性至關(guān)重要。從高壓電池產(chǎn)生本地低壓軌起著關(guān)鍵作用。在傳統(tǒng)的隔離式高壓反激式轉(zhuǎn)換器中，使用光耦合器將穩(wěn)壓信息從副邊基準(zhǔn)電壓源電路傳輸?shù)匠跫墏?cè)，可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的穩(wěn)壓。問題在于，光耦合器大大增加了隔離設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：存在傳播延遲、老化和增益變化，所有這些都使電源環(huán)路補(bǔ)償復(fù)雜化，并可能降低可靠性。此外，在啟動期間，需要泄放電阻或高壓啟動電路來初始為IC上電。除非在啟動元件上增加額外的高壓MOSFET，否則泄放電阻器是造成不受歡迎的功率損耗的來源。

無需光耦合器

通過對來自第三個(gè)繞組的隔離輸出電壓進(jìn)行采樣，無需光耦合器即可進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓由兩個(gè)外部電阻器和第三個(gè)可選溫度補(bǔ)償電阻器設(shè)置。邊界模式操作有助于實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)節(jié)。由于在次級電流幾乎為零時(shí)檢測輸出電壓，因此無需外部負(fù)載補(bǔ)償電阻器和電容器。因此，該解決方案的元件數(shù)量較少，大大簡化了隔離式反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。

啟動優(yōu)化

采用內(nèi)部耗盡模式 MOSFET（具有負(fù)閾值電壓且通常導(dǎo)通），無需外部泄放電阻器或其他啟動元件。本地12 V電容充電后，耗盡模式MOSFET關(guān)斷以降低功率損耗。

超低靜態(tài)電流

為了實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流，應(yīng)實(shí)施幾種機(jī)制。輕負(fù)載時(shí)應(yīng)降低開關(guān)頻率，同時(shí)保持最小電流限值，以便在適當(dāng)采樣輸出電壓的同時(shí)降低電流。在待機(jī)模式下，LT8316的開關(guān)頻率（3.5 kHz 至 220 kHz）降低 16×并將預(yù)載電流保持在全輸出功率的 0.1% 以下，靜態(tài)電流低于 100 μA。

極寬輸入范圍（18 V 至 1000 V）

LT8316的額定工作電壓為高達(dá)600 V，但可以通過將齊納二極管與VIN引腳串聯(lián)來擴(kuò)展，以進(jìn)一步提高解決方案的可擴(kuò)展性。齊納二極管兩端的壓降降低了施加到芯片上的電壓，使電源電壓超過600 V。將220 V齊納二極管與VIN引腳串聯(lián)時(shí)，考慮到齊納二極管的電壓容差，啟動時(shí)的最小電源電壓為260 V（給予或接受）。請注意，啟動后，LT8316將在電源電壓低于260 V的情況下正常工作。

圖7.LT8316反激式轉(zhuǎn)換器的效率。

圖8.LT8316反激式轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)。

圖7顯示了不同輸入電壓下的效率，反激式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了91%的峰值效率。即使沒有光耦合器，不同輸入電壓下的負(fù)載調(diào)節(jié)也保持嚴(yán)格，如圖8所示。

電池管理系統(tǒng)

BMS 密切監(jiān)視和管理多節(jié)電池串的充電狀態(tài) （SOC）。對于大型高壓電池組，例如電動汽車中的電池組，準(zhǔn)確監(jiān)控每個(gè)單獨(dú)的電池單元和整體電池組參數(shù)對于實(shí)現(xiàn)最大可用容量至關(guān)重要，同時(shí)確保安全可靠的運(yùn)行。BMS的準(zhǔn)確性將從電池中釋放出更多的能量，這直接轉(zhuǎn)化為電動汽車每次充電可以提供的里程數(shù)，最大限度地延長電池的整體使用壽命，從而降低擁有成本。

2009年，凌力爾特（現(xiàn)為ADI的一部分）將首款蜂窩監(jiān)控器IC推向市場。它集成了運(yùn)算放大器、多路復(fù)用器和ADC，用于測量電池電壓和溫度。10多年后，ADI在100多種車型中推出了經(jīng)過五代道路驗(yàn)證的器件，引領(lǐng)著BMS行業(yè)。

生命周期總測量誤差 （LTME）

我們最新的BMS產(chǎn)品版本是ADBMS6815（見圖9），它具有業(yè)界領(lǐng)先的1.5 mVLTME。相對于行業(yè)基準(zhǔn)，LTME低了近2×。

汽車原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商已經(jīng)確認(rèn)，LTME的每mV對SOC估計(jì)的影響超過5%，要求原始設(shè)備制造商在報(bào)告車輛的剩余范圍時(shí)過于保守。對于價(jià)值 9000 美元的高壓電池組，SOC 估計(jì)值中 1% 的誤差可能會使系統(tǒng)損失 ~90 美元/mV 誤差。LTME包括熱滯后、焊料回流、量化誤差（噪聲）、對濕度的敏感性和長期漂移。

在使用16個(gè)12通道器件的800 V系統(tǒng)中，相對于ADBMS6815的4 mV誤差（現(xiàn)有技術(shù)），誤差為1.5 mV，總擁有成本高出~225美元，同時(shí)能夠更好地估算SOC并延長EV續(xù)航里程。

圖9.ADBMS6815 BMS多蜂窩解決方案的應(yīng)用圖。

ADBMS6815具有兩個(gè)16位Σ-Δ型ADC，每個(gè)ADC在8個(gè)通道上多路復(fù)用，并具有8個(gè)可編程過采樣比，允許濾波低至26 Hz和高達(dá)27 kHz。ADBMS6815具有300 mA的電池平衡能力，無需外部放電開關(guān)，每個(gè)BMS IC也節(jié)省了~0.50美元。此外，該器件完全支持最新的要求，即使在車輛鑰匙關(guān)閉時(shí)也能監(jiān)控電池，通過監(jiān)控電池來提供電池?zé)釂栴}的早期預(yù)警。

無線 BMS （wBMS）

wBMS解決方案代表了三個(gè)技術(shù)支柱的組合，即BMS性能、無線電解決方案和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)。wBMS系統(tǒng)解決方案針對汽車電池管理用例進(jìn)行定制，為下一代電動汽車提供安全、可靠、穩(wěn)健且可擴(kuò)展的端到端wBMS系統(tǒng)解決方案。

wBMS系統(tǒng)的核心是射頻網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在2.4 GHz頻段運(yùn)行，是一種冗余星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接與 2 個(gè)管理器中的 1 個(gè)通信。該網(wǎng)絡(luò)還支持 2 跳故障轉(zhuǎn)移模式，在該模式下，如果發(fā)生通信故障，節(jié)點(diǎn)可以通過另一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳回網(wǎng)絡(luò)管理器來繼續(xù)通信。wBMS系統(tǒng)是專為電池組和電動汽車環(huán)境構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。該無線系統(tǒng)將高性能 2.4 GHz 無線電與時(shí)間信道跳頻 MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層集成在一起，可提供確定性以及路徑、時(shí)間和頻率分集。這些關(guān)鍵特性相結(jié)合，克服了操作環(huán)境中的鏈路和干擾挑戰(zhàn)。

消除電池組線束是wBMS區(qū)別于BMS的主要特征之一（見圖10和圖11）。根據(jù)電池組架構(gòu)的不同，這可以為下一代電動汽車節(jié)省高達(dá)90%的布線和高達(dá)15%的體積，從而減少電池組材料并有可能實(shí)現(xiàn)更高的（能量）密度組。

移除電池組通信線束也消除了對汽車設(shè)計(jì)的硬約束。這使得模塊化包裝系統(tǒng)能夠簡化包裝、自動化/機(jī)器人組裝以及時(shí)間和成本效益的制造過程。更簡單、更模塊化的電池組設(shè)計(jì)為在電動汽車產(chǎn)品組合中重復(fù)使用設(shè)計(jì)提供了可能性，并帶來了設(shè)計(jì)靈活性，不受大量線束和連接器組件的限制。

圖 10.BMS 系統(tǒng)中由 12 個(gè)模塊組成的典型有線包。

圖 11.wBMS 系統(tǒng)中典型的 12 個(gè)模塊無線包。

wBMS是二次電池組的關(guān)鍵推動因素

為了進(jìn)一步改善車輛的整體碳平衡，考慮電池組的第二次壽命至關(guān)重要。電池組應(yīng)在其整個(gè)生命周期內(nèi)受到密切監(jiān)控，wBMS使這易于實(shí)施。

在使用壽命開始時(shí)，電池模塊在電池組組裝之前可能會在運(yùn)輸或倉庫庫存中花費(fèi)很長時(shí)間。無線 BMS 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的開路電壓和溫度監(jiān)控，從而在故障成為問題之前識別其早期故障。此外，在電池組組裝之前和整個(gè)電池生命周期中，還可以在獨(dú)立的無線電池模塊上連續(xù)存儲/更新壽命可追溯性和監(jiān)控。這些功能與消除通信線束相結(jié)合，可以更容易、經(jīng)濟(jì)高效地過渡到電池組的第二次壽命。

結(jié)論

ADI公司的動力總成創(chuàng)新解決方案，例如具有超過150 V/nsCMTI保護(hù)和低于1 μs短路保護(hù)的新型隔離式柵極驅(qū)動器，正在釋放基于SiC的新型高性能牽引逆變器系統(tǒng)的全部潛力。

需要注意的是，柵極驅(qū)動器和SiC開關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能會因周圍組件的妥協(xié)和/或效率低下而完全抵消。包含各種設(shè)計(jì)考慮因素的系統(tǒng)級方法是性能優(yōu)化的關(guān)鍵。

在電池管理方面，ADI的產(chǎn)品通過提供卓越的電池檢測、最高水平的汽車安全性、最廣泛的EV BMS器件產(chǎn)品組合以及最具創(chuàng)新性的多功能系統(tǒng)級解決方案，應(yīng)對電動汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

盡管OEM采用wBMS的挑戰(zhàn)在于規(guī)劃對設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造基礎(chǔ)設(shè)施的重大投資，但從長遠(yuǎn)來看，wBMS預(yù)計(jì)將更具成本效益和優(yōu)勢，為提高電池能量密度、提高設(shè)計(jì)重用和靈活性以及實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能提供了可能性。

審核編輯：郭婷