【導(dǎo)讀】隨著電池化學(xué)特性、可靠性和相關(guān)技術(shù)的日趨穩(wěn)定，汽車(chē)電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設(shè)計(jì)人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車(chē)環(huán)境下優(yōu)化BMS測(cè)量并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。
隨著電池化學(xué)特性、可靠性和相關(guān)技術(shù)的日趨穩(wěn)定，汽車(chē)電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設(shè)計(jì)人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車(chē)環(huán)境下優(yōu)化BMS測(cè)量并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。毫伏和毫安精度的電池測(cè)量仍是重點(diǎn)，并需要實(shí)時(shí)同步采集這些電壓和電流數(shù)據(jù)用以功率計(jì)算。
此外，BMS還須評(píng)估每次測(cè)量的有效性，因?yàn)樗枰畲笙薅鹊靥岣邤?shù)據(jù)的完整性，以識(shí)別、區(qū)分并根據(jù)錯(cuò)誤或可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。經(jīng)過(guò)持續(xù)探索和優(yōu)化，BMS IC制造商已可以提供關(guān)鍵體系架構(gòu)，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)（EV）電池管理系統(tǒng)對(duì)全面監(jiān)控，嚴(yán)格的安全性，可靠性和高性能的要求。
由于電池性能會(huì)隨正常使用而退化，因此BMS IC的選擇對(duì)于延長(zhǎng)電池組的使用壽命也至關(guān)重要。在工作過(guò)程中，電池組健康狀態(tài)（SOH）的準(zhǔn)確性可以幫助車(chē)輛電池管理電子設(shè)備在電池使用與供電控制上進(jìn)行優(yōu)化，以延長(zhǎng)電池組的剩余壽命。 電池管理IC能否在車(chē)輛使用壽命內(nèi)保持其精確的測(cè)量精度，是直接影響電池管理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。電池電芯測(cè)量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會(huì)直接影響車(chē)輛的行駛里程和電池壽命，進(jìn)而影響汽車(chē)制造商的維修及經(jīng)營(yíng)成本。
為電動(dòng)汽車(chē)供電的鋰離子電池通常有8-10年的保修期。此后，則認(rèn)為其不再適用于車(chē)輛牽引，但電池可能仍保持其原始容量的80%。因此可以將車(chē)輛使用過(guò)的舊電池組以指定的剩余壽命遷移到其它需自耗電池的應(yīng)用中，進(jìn)行二次使用。
對(duì)汽車(chē)制造商而言，成功的BMS需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就仔細(xì)選擇BMS IC。制造商需要了解在整個(gè)操作環(huán)境和車(chē)輛使用壽命的過(guò)程中，特別是高電壓電池和逆變器噪聲等惡劣的電磁干擾（EMI）環(huán)境下，各個(gè)IC供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品測(cè)量精度與穩(wěn)定性之間的差異。
優(yōu)良的鋰離子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)：
• 精度——對(duì)于具有平坦放電曲線(xiàn)的電池類(lèi)型（如磷酸鐵鋰電池），電池精度是最重要的標(biāo)準(zhǔn)；
• 全面診斷——除了監(jiān)測(cè)每個(gè)電芯的狀態(tài)外，系統(tǒng)還須不間斷地對(duì)其自身進(jìn)行功能安全檢測(cè)，以確保每個(gè)IC都以預(yù)期的精度運(yùn)行；
• 可靠通信——監(jiān)控系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都必須協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此必須確保系統(tǒng)間通信的可靠性，而大多數(shù)傳統(tǒng)通信方法則無(wú)法滿(mǎn)足嘈雜行車(chē)環(huán)境中這一需求。
• 安全性——系統(tǒng)通過(guò)適當(dāng)?shù)毓芾礓囯x子電池避免故障與安全問(wèn)題。發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)必須采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，同時(shí)避免誤報(bào)。
磷酸鐵鋰電池由于其低內(nèi)部阻抗而適用于較小的電池組。這種電池類(lèi)型使系統(tǒng)工程師需要檢測(cè)電池放電時(shí)電池電壓的細(xì)微變化。而測(cè)量這些微小變化需要復(fù)雜的模擬前端（AFE）、準(zhǔn)確且穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)以及精密的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這對(duì)BMS IC設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
多電池平衡IC中的關(guān)鍵要素
準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)是所有BMS IC的核心。芯片所采用的參考拓?fù)漕?lèi)型各不相同，帶隙結(jié)構(gòu)是最常用的，它們?cè)诰扰c芯片面積之間，以及整個(gè)溫度范圍內(nèi)的精度都做了最佳的權(quán)衡。例如，ISL78714鋰電池組管理IC使用了精確的帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用記錄，并非常適合要求苛刻的汽車(chē)應(yīng)用。該技術(shù)穩(wěn)定、成熟、特點(diǎn)鮮明，并經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用及優(yōu)化。準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)直接影響汽車(chē)制造商的保修和經(jīng)營(yíng)成本指標(biāo)，是設(shè)計(jì)人員計(jì)算車(chē)輛電池壽命時(shí)考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。
除了精度基準(zhǔn)，用于測(cè)量精度的另一個(gè)關(guān)鍵功能模塊是ADC，主電池電壓測(cè)量模塊。兩種最流行和最常用的ADC類(lèi)型是逐次逼近寄存器（SAR）和delta-sigma。在這兩種技術(shù)中，SAR具有最快的采樣率，能夠提供高速的電壓轉(zhuǎn)換和出色的抗噪性，但往往需要更大的芯片面積。SAR ADC是可以提供數(shù)據(jù)采集速度、精度、強(qiáng)度和抗電磁干擾能力組合的最佳選擇。
IC設(shè)計(jì)人員也會(huì)傾向于delta-sigma ADC，因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰^小的芯片面積且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。但由于使用了抽取濾波器，它們的速度往往較慢，這會(huì)降低采樣率和數(shù)據(jù)采集速度。采用delta-sigma ADC時(shí)的另一個(gè)考慮因素是在受到EMI干擾時(shí)趨于飽和，這可能導(dǎo)致在準(zhǔn)確報(bào)告電芯電壓時(shí)出現(xiàn)延遲（通常為三個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期）。
單個(gè)電池的接口由AFE管理，該AFE包括輸入緩沖器、電平移位器和故障檢測(cè)電路。當(dāng)電池最初連接到BMS時(shí)，AFE是處理熱插拔瞬變的關(guān)鍵。BMS IC采用全差分AFE設(shè)計(jì)，可在不影響相鄰電池測(cè)量的情況下測(cè)量負(fù)輸入電壓（±5V），這在需要總線(xiàn)互聯(lián)的系統(tǒng)中十分有利。為提高瞬態(tài)條件下的強(qiáng)度，電池電壓輸入端增加了一個(gè)外部低通濾波器。
輸入濾波的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在不影響速度或精度的同時(shí)獲得最大的EMI和熱插拔抗擾度。相比之下，使用雙極而非電荷耦合AFE的集成電路的精度和長(zhǎng)期偏移會(huì)因?yàn)橥獠枯斎霝V波器選擇的組件值而大大降低。圖1顯示了BMS IC的三個(gè)功能模塊及其互聯(lián)的簡(jiǎn)化圖示。
圖1. ISL78714鋰電池組管理器的簡(jiǎn)化框圖
穩(wěn)定的線(xiàn)性帶隙基準(zhǔn)、SAR ADC和全差分AFE相結(jié)合，使鋰電池組管理器具有快速的數(shù)據(jù)采集能力、強(qiáng)度和精度。BMS IC的高精確度并不僅僅依靠出廠(chǎng)時(shí)的測(cè)量精度值，還需要在安裝到印刷電路板（PCB）后進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。圖2a和2b顯示了集成電路在電池電壓和溫度范圍內(nèi)的精度，這對(duì)于電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言至關(guān)重要，因?yàn)樗麄冃枰到y(tǒng)誤差預(yù)算值來(lái)保證車(chē)輛的使用壽命，并須考慮可靠且可預(yù)測(cè)的精度指標(biāo)。
圖2a 圖2b
圖2. 30塊BMS板組裝1000小時(shí)后的測(cè)試數(shù)據(jù)
因此，建議設(shè)計(jì)人員仔細(xì)檢查，并應(yīng)在每個(gè)IC供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表之間詳細(xì)比較，尤其是精度、數(shù)據(jù)采集速度和輸入濾波器要求（包括它們對(duì)精度的影響）等方面。
PCB布板與配置的注意事項(xiàng)
焊接會(huì)在PCB上產(chǎn)生應(yīng)力，使BMS集成電路在X和Y兩個(gè)平面發(fā)生彎曲，從而在硅特性中產(chǎn)生亞原子應(yīng)力，進(jìn)而影響集成電路的性能。由于基準(zhǔn)是測(cè)量電路的關(guān)鍵因素，其特性的任何變化都會(huì)直接影響ADC的精度，這是精密芯片行業(yè)中眾所周知的現(xiàn)象。芯片設(shè)計(jì)者可通過(guò)將敏感電路小心地放置在不太可能受焊接和其它制造應(yīng)力影響的芯片區(qū)域中，來(lái)解決這一問(wèn)題。
或者，IC設(shè)計(jì)人員可以選擇更昂貴的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)技術(shù)，例如在同一IC封裝內(nèi)放置單獨(dú)的基準(zhǔn)裸片或使用單獨(dú)的離散基準(zhǔn)芯片。無(wú)論使用哪種IC技術(shù)，PCB的設(shè)計(jì)和制造階段都至關(guān)重要。因此，精確的IC布板技術(shù)以及對(duì)芯片安裝和焊接方案的細(xì)致考量，會(huì)幫助緩解很多問(wèn)題。
例如，BMS設(shè)計(jì)人員遵循ISL78714推薦的PCB布板指南和焊接回流曲線(xiàn)，會(huì)看到IC板級(jí)單元讀數(shù)精度和長(zhǎng)期漂移特性均為對(duì)數(shù)且可預(yù)測(cè)。該IC的長(zhǎng)期漂移性能數(shù)據(jù)來(lái)自25°C的實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)試及加速的壽命測(cè)試。完整使用壽命精度是初始板級(jí)精度和壽命偏移（例如，總和平均值和RSS標(biāo)準(zhǔn)偏差）的矢量和。圖3顯示了在15年的使用壽命內(nèi)典型的電池讀取偏差的結(jié)果。
圖3. 在±6σ（焊后）下的初始板級(jí)電池誤差 vs. 使用壽命
結(jié)論
電池管理設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是電池性能，而在車(chē)輛使用壽命中，BMS IC是否有能力保持其測(cè)量精度會(huì)直接影響電池性能。電池電量測(cè)量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會(huì)直接影響車(chē)輛的行駛里程和電池壽命，進(jìn)而影響汽車(chē)制造商的保修及經(jīng)營(yíng)成本。有各種具有不同精度測(cè)量拓?fù)浜图夹g(shù)的BMS IC可供選用，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮如何選擇和使用。優(yōu)化BMS設(shè)計(jì)并了解測(cè)量、方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的潛在差異，以及它們之間相互關(guān)系，對(duì)于選擇最適合其EV應(yīng)用的BMS 芯片至關(guān)重要。
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