【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）的市場(chǎng)份額在2020年可能達(dá)到30%。這種市場(chǎng)吸引力是由于對(duì)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車環(huán)境影響的擔(dān)憂增加以及降低燃料成本的努力。因此，汽車制造商正在投資于其車輛的電氣化，從而在電池技術(shù)和電池組安全性方面取得了重大進(jìn)步。
本文闡述了電池監(jiān)測(cè)集成電路如何提高電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的安全性。
電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車的電池管理系統(tǒng)
電池驅(qū)動(dòng)的汽車用不使用汽油作為能源的電動(dòng)機(jī)取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。相反，電池儲(chǔ)存電能供電動(dòng)機(jī)使用。電動(dòng)汽車由許多部件組成，包括：
車載充電器，直接從電網(wǎng)給電池充電；
一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，它將功率轉(zhuǎn)換為較低的電壓，從而為汽車電子設(shè)備（如加熱器和自動(dòng)車窗）提供動(dòng)力；
電源逆變器，將電池的能量傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)；
監(jiān)測(cè)電池組電壓、電流和溫度的電池監(jiān)測(cè)器和電流傳感器；
以及一個(gè)主微控制器（MCU），充當(dāng)“大腦”并協(xié)調(diào)電動(dòng)汽車內(nèi)的所有動(dòng)作。
圖1展示了電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的高層架構(gòu)。
圖1電池管理系統(tǒng)有助于監(jiān)測(cè)和控制電動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車的高壓電池組。
在典型的應(yīng)用中，電池監(jiān)視器堆疊成菊花鏈，如圖2所示。每個(gè)設(shè)備通過感應(yīng)線與電池芯相連，以監(jiān)控電池組中的每一個(gè)電池。堆棧中的每個(gè)監(jiān)視器都通過通信線路將信息從堆棧頂部傳輸?shù)降撞吭O(shè)備。為了方便主機(jī)MCU和堆棧設(shè)備之間的通信，需要橋接設(shè)備。
圖2電池監(jiān)視器堆疊成菊花鏈配置。
使用電池監(jiān)控器提高安全性
熱失控是HEV/EV系統(tǒng)安全問題的主要原因，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致不可阻擋的連鎖反應(yīng)。當(dāng)溫度迅速上升到400℃時(shí)，儲(chǔ)存在電池中的能量會(huì)突然釋放出來。這會(huì)導(dǎo)致電池變成氣態(tài)，并可能引發(fā)火災(zāi)。
熱失控可由以下幾個(gè)因素引起：
如果電池在事故后受到物理損壞或有物體穿透電池組，則電池內(nèi)部短路。
一種外部短路，可以釋放無限量的能量，從而使電池迅速升溫。
電池過充電超過其最大允許電壓。
高充放電電流。
為了防止這些事件的發(fā)生，監(jiān)測(cè)電池是至關(guān)重要的。電池監(jiān)控器的設(shè)計(jì)旨在解決所有這些問題，并幫助電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車更安全。
電壓監(jiān)測(cè)
不準(zhǔn)確報(bào)告的電壓可能導(dǎo)致MCU對(duì)電池過度充電，可能損壞電池或?qū)е聼崾Э?。此外，測(cè)量冗余對(duì)于提高安全性和防止故障或隨時(shí)間推移而漂移至關(guān)重要。兩個(gè)完全獨(dú)立的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和兩個(gè)獨(dú)立的路徑可以幫助實(shí)現(xiàn)汽車安全完整性等級(jí)D（ASIL-D）符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。
冗余設(shè)計(jì)用于檢測(cè)其中一個(gè)ADC中的任何故障，并用于從獨(dú)立ADC對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行雙重檢查。在安全診斷過程中，如果測(cè)量出現(xiàn)故障或偏移，將使用具有完全獨(dú)立路徑和基準(zhǔn)的輔助ADC，對(duì)同一個(gè)單元的測(cè)量值進(jìn)行雙重檢查和測(cè)量。
以Texas Instruments公司的BQ79606A-Q1汽車精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成保護(hù)器為例：每個(gè)通道有六個(gè)專用的delta-sigma ADC和一個(gè)用于冗余的輔助ADC。該器件有一組窗口比較器，它獨(dú)立于主采集路徑為所有六個(gè)通道提供單元電壓監(jiān)測(cè)，并與主ADC路徑并行工作。此比較器功能與ADC功能完全獨(dú)立；因此，即使ADC功能失效，模擬比較器仍會(huì)標(biāo)記欠壓和過壓比較器閾值的交叉。
電池溫度監(jiān)測(cè)
鋰離子電池不能承受極端溫度。電池組的典型容許溫度在0°C到60°C之間。除了外部因素外，一些開關(guān)元件消耗功率并釋放部分功率作為熱量，從而導(dǎo)致電池外殼的熱增加。監(jiān)測(cè)和控制電池組溫度對(duì)于維護(hù)電池組的健康和安全以及防止熱失控至關(guān)重要。
今天的電池監(jiān)視器有幾個(gè)通用的輸入/輸出（gpio）用于溫度傳感。BQ79606A-Q1精密電池監(jiān)測(cè)器可在六通道電池組中測(cè)量多達(dá)六個(gè)恒溫器，精度高，提供大量冗余，以防止溫度監(jiān)測(cè)故障。該設(shè)備使用一個(gè)集成的窗口比較器來監(jiān)控GPIO的輸入，以確定電池的溫度過高和過低。
啟用時(shí)，比較器循環(huán)通過每個(gè)溫度感應(yīng)輸入，并將電壓與編程的閾值進(jìn)行比較。該比較器功能與ADC功能完全獨(dú)立；即使ADC功能失效，模擬比較器也會(huì)標(biāo)記出溫度過低和過高的比較器閾值的交叉點(diǎn)。主機(jī)MCU將立即通過故障線路通知MCU，以觸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并在達(dá)到不可忍受的溫度之前采取預(yù)防措施。
通信魯棒性和速度
如前所述，電池監(jiān)視器可堆疊成菊花鏈配置。每個(gè)設(shè)備將其信息通過下游的另一個(gè)設(shè)備傳遞到主機(jī)。堆棧中的設(shè)備和主機(jī)MCU之間的通信線路必須是穩(wěn)定的，以確保在短短幾毫秒內(nèi)進(jìn)行快速和完整的診斷。MCU應(yīng)該與堆棧中的任何設(shè)備進(jìn)行可靠通信，以讀取、配置和執(zhí)行診斷。
然而，電動(dòng)汽車的噪音環(huán)境對(duì)電池監(jiān)控器提出了真正的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，TI的電池監(jiān)視器使用了兩個(gè)引腳COM*P和COM*N的差分信號(hào)。如圖3所示，BQ79606A-Q1電池管理芯片的COM*P和COM*N引腳在不同的噪聲環(huán)境中被監(jiān)控。
圖3這是菊花鏈通信性能在噪聲存在下的外觀。
在所有頻率下，信號(hào)完整性保持不變，差分噪聲消除。驅(qū)動(dòng)器可承受高達(dá)±20V的噪聲振幅。此外，內(nèi)置于通信信號(hào)中的診斷機(jī)制有助于確保如果由于某種原因信號(hào)被破壞，設(shè)備將檢測(cè)到通信故障。這種體系結(jié)構(gòu)確保了與主機(jī)的可靠和快速通信。
鋰離子電池對(duì)過度充電、極端溫度和物理損傷非常敏感。任何一種情況都可能導(dǎo)致電池的熱失控。為了防止電池過充電，電池監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)發(fā)展成高度安全和精確地監(jiān)測(cè)電池電壓。通過多重冗余對(duì)組件進(jìn)行溫度監(jiān)控，以確保組件溫度在可接受的范圍內(nèi)。堆棧監(jiān)視器之間的通信設(shè)計(jì)為能夠承受噪聲環(huán)境，并確保信息安全地傳輸?shù)街鱉CU。
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