EV電池背后的先進技術(shù)

Greg Zimmer

與油箱等單個儲能元件不同，電動汽車(EV)的電池包由數(shù)百個串聯(lián)的鋰離子電芯組成。如果沒有在嚴(yán)格控制的范圍內(nèi)工作，這些電芯的容量和壽命會隨著時間和工作條件的變化而減少和改變。電池管理系統(tǒng)(BMS)負責(zé)讓這些電芯保持最大容量和壽命，同時確保安全可靠。該系統(tǒng)的核心是電芯監(jiān)測器，它可以對電芯進行測量，從而確定每個電芯的荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)，這是評估電池狀態(tài)的兩個關(guān)鍵參數(shù)。本文介紹ADI公司的 ADBMS6815 系列高壓電芯監(jiān)控器，以及有助于汽車電池包實現(xiàn)最高容量、安全性、可靠性和使用壽命的關(guān)鍵差異化特性。

引言

幾十年來，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。動力總成是將能量轉(zhuǎn)化為運動的系統(tǒng)，可以說是汽車制造商最寶貴的知識產(chǎn)權(quán)，經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的完善改進。在這種情況下，造車新勢力的出現(xiàn)就顯得令人矚目，因為意味著動力總成技術(shù)正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。

一輛典型的內(nèi)燃機(ICE)汽車有一個15加侖的油箱，相當(dāng)于近500千瓦時的電能。15加侖的汽油可轉(zhuǎn)化為內(nèi)燃機汽車375英里的續(xù)航里程；500千瓦時的電能可轉(zhuǎn)化為電動汽車1450英里的續(xù)航里程。這種巨大的能效優(yōu)勢是電動汽車最終取勝的原因，但這種汽車的最后一個問題還有待解決。如今這一代電動汽車面臨的最大問題，就是其電池容量比不上內(nèi)燃機汽車的續(xù)航里程。

挑戰(zhàn)是什么？

電動汽車的電池包由數(shù)百個串聯(lián)工作的電芯組成，產(chǎn)生400 V到800 V的電壓。過度充電和過度放電會損壞電池或使其過早老化，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)成電池報的每個電芯的荷電狀態(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)都會降低其容量。確定荷電狀態(tài)需要測量電池電壓和溫度，這些測量的準(zhǔn)確性直接決定了荷電狀態(tài)管理的好壞?？偠灾姵毓芾硐到y(tǒng)的電子器件是盡可能提高電動汽車電池系統(tǒng)的運行里程、壽命、可靠性和安全性的關(guān)鍵。

要想準(zhǔn)確、連續(xù)地測量緊密結(jié)合在一起的一長串高壓電池串中的所有電芯，絕非易事。測量需要不受逆變器、執(zhí)行器、開關(guān)、繼電器等產(chǎn)生的高電氣噪聲的影響。由于電池包的高電壓，電子器件本身也需要進行電氣隔離。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)品專注于幾個關(guān)鍵方面：單個電芯測量（電池監(jiān)控器）、整體電池包測量（電池包監(jiān)控器）、互連設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)（通過導(dǎo)線或無線網(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，確保整個電池包獲得最大的可儲存能量，充分提高車輛的續(xù)航能力。

可以說，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可測量串聯(lián)的電芯的電壓和溫度，通常每個監(jiān)控器監(jiān)控12個電芯。電池電壓和溫度是關(guān)鍵參數(shù)；測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，而不會給電池帶來壓力。因此，這些電池監(jiān)控器的性能對于電池管理系統(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。測量誤差會導(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量能力。

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密電池監(jiān)控器是實現(xiàn)安全、性能和成本效益的較理想功能組合。該系列由三個基本器件組成，以每個器件監(jiān)控的電池數(shù)量來區(qū)分： ADBMS6816 監(jiān)控六個電芯， ADBMS6817 監(jiān)控八個串聯(lián)的電芯，ADBMS6815監(jiān)控12個串聯(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。

此外，這些部件可以通過混合和匹配的方式進行組合，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，確保實現(xiàn)高保真的測量。
圖1. 多電芯監(jiān)控器的簡化說明。

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，使用isoSPI ^?^ 雙線通信接口。這是一個穩(wěn)定可靠、對電磁干擾不敏感、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ADI電池包監(jiān)控器件，可以同步測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一條通往每個設(shè)備的路徑進行操作，也可以通過環(huán)路配置中的雙路徑進行操作。該環(huán)路支持在電線或連接器發(fā)生故障的情況下，訪問所有的電芯監(jiān)控數(shù)據(jù)。

要了解有關(guān)isoSPI的信息，請查看此 視頻。

ADBMS6815系列還支持在無線電池管理系統(tǒng)(wBMS)中運行，其中有線菊花鏈被電池監(jiān)控器的2.4 GHz無線電池管理系統(tǒng)節(jié)點所取代。

圖3. wBMS用無線電取代了通信線路。

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。識別和補救集成電路內(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量路徑、改進輸入信號之間的同步、自檢能力等等。

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

ISO 26262是一個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)險分類，代表系統(tǒng)中最高的汽車安全級別。ADI部件的設(shè)計和認(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，通過滿足ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計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、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，但電芯的缺陷會導(dǎo)致電池隨著時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)需要對可能預(yù)示任何潛在問題的情況進行監(jiān)控。

電芯并不會因為不使用而處于惰性狀態(tài)。作為電化學(xué)設(shè)備，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，它們也會隨著時間而變化。換句話說，即使在車輛不運行的情況下，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公司開發(fā)了低功率電池監(jiān)控(LPCM)技術(shù)。LPCM是一種先進的電芯監(jiān)控功能，可定期自動檢查電芯的關(guān)鍵參數(shù)。通過LPCM功能，電池監(jiān)控器會提醒電池管理系統(tǒng)喚醒，并在檢測到任何潛在問題時進行適當(dāng)?shù)臋z查。如果電池監(jiān)控器未能提供定期確認(rèn)信號，電池管理系統(tǒng)也會收到警報。

要了解ADI如何解決這個問題，請觀看這段 視頻 對LPCM的解釋。

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，并對上述安全性、可靠性和性能提供一些補充作用。這些器件使用相同的封裝和引腳，允許設(shè)計人員以不同的通道數(shù)（每個器件監(jiān)控6、8、12個單體電池）構(gòu)建通用設(shè)計，通過不同的選項配置，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，它們可以測量5 V以下的任何電壓，測量精度與原電池相同。此外，這些輔助測量，如溫度或電流測量，可與電芯測量同步，從而獲得更準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)。

計算這些I/O引腳也可以控制I^2^C或SPI子節(jié)點設(shè)備，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，比如增加多路復(fù)用器，來擴大模擬輸入或EEPROM，從而存儲校準(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300 mA的電流。這實現(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。均衡過程可以設(shè)置為一個特定的時間段，并在達到預(yù)先編程的閾值時自動停止。這樣，即使在電芯監(jiān)控器處于睡眠模式時，也能實現(xiàn)長時間的均衡。

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：D
  • 最大使用壽命總測量誤差：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)中所有電芯電壓測量
  • 具有可編程噪聲濾波器的16位ADC
  • 每通道300 mA的無源電池均衡，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)形拓撲結(jié)構(gòu)；即使通信路徑上有故障，也可以進行通信
  • 7個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I^2^C或SPI主機
  • 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30年內(nèi)，世界將從內(nèi)燃機轉(zhuǎn)向電動乘用車。汽油是一種來自有限資源的產(chǎn)品，其使用效率極低，因而勢必會推動這種轉(zhuǎn)變。地緣政治和環(huán)境問題只會加速這一趨勢。電動汽車是未來的趨勢，而電池管理系統(tǒng)技術(shù)是一個關(guān)鍵的推動因素。

領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，如ADBMS6815系列，正在推動未來的發(fā)展。這些IC經(jīng)認(rèn)證符合ISO 26262 ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)，它們的電芯電壓和溫度測量精度在業(yè)內(nèi)屬領(lǐng)先水平。ADBMS6815系列采用經(jīng)過道路驗證的多代電池監(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車隊和大型儲能系統(tǒng)不斷變化且具有挑戰(zhàn)性的要求。設(shè)計人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品，相信我們的市場領(lǐng)先技術(shù)可以提供當(dāng)今出色的電池管理系統(tǒng)，并在我們不斷擴大的創(chuàng)新基礎(chǔ)上，促進未來前沿系統(tǒng)的發(fā)展。

審核編輯：郭婷