【導(dǎo)讀】倒計(jì)時(shí)已經(jīng)開始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車將在未來幾年徹底改變整個(gè)汽車行業(yè)——這一變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了網(wǎng)絡(luò)訪問或方向盤和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更清潔、更環(huán)保的新交通時(shí)代，鋰離子（Li-ion）電池和電池管理系統(tǒng)將成為電動(dòng)汽車（e-mobility）的關(guān)鍵。
汽車設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)，以確保安全和長電池壽命，而無需復(fù)雜的電路。
倒計(jì)時(shí)已經(jīng)開始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車將在未來幾年徹底改變整個(gè)汽車行業(yè)——這一變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了網(wǎng)絡(luò)訪問或方向盤和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更清潔、更環(huán)保的新交通時(shí)代，鋰離子（Li-ion）電池和電池管理系統(tǒng)將成為電動(dòng)汽車（e-mobility）的關(guān)鍵。
據(jù)專家介紹，這些系統(tǒng)將在未來幾年改變我們的出行方式，重新設(shè)計(jì)移動(dòng)、智能城市和互動(dòng)社區(qū)的未來。對聯(lián)網(wǎng)汽車（也許是高速5G網(wǎng)絡(luò)）的日益關(guān)注已經(jīng)加速，因?yàn)樗鼈儗⒅饕请妱?dòng)的。
向電動(dòng)、互聯(lián)和自動(dòng)駕駛車輛演進(jìn)所需的新組件需求將圍繞牽引力（電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和變速箱組件）、高級駕駛輔助系統(tǒng)、自主功能（自適應(yīng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)、視覺傳感器）、新材料的應(yīng)用和乘客艙設(shè)計(jì)（包括增加內(nèi)部絕緣以及手勢識別和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器）。
然而，電池是任何電動(dòng)汽車（EV）跳動(dòng)的心臟。為了讓聯(lián)網(wǎng)汽車證明其智能，它必須通過監(jiān)測和控制電池電量來優(yōu)化其功耗。
主要關(guān)注點(diǎn)在于功耗，這是鋰電池逐漸耗散能量的過程，這些能量是由與電氣系統(tǒng)相關(guān)的潛在吸收引起的，這些電氣系統(tǒng)即使在車輛關(guān)閉時(shí)仍保持活動(dòng)狀態(tài)：安全系統(tǒng)、車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息處理。每天的能量損失可能高達(dá)1%至2%。因此，有必要定期檢查主電池組的充電狀態(tài)是否最佳。
多年來，鋰離子電池在相對于其尺寸和重量所能提供多少能量方面的效率已經(jīng)大大提高。然而，研究人員仍然面臨著提高功率密度、耐用性、成本、充電時(shí)間和安全性的挑戰(zhàn)。監(jiān)測電氣性能是鋰離子電池應(yīng)用成功的關(guān)鍵。
汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)一種電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保安全運(yùn)行、長電池壽命以及低壓和高壓域的分離，而無需具有大量組件的復(fù)雜電路。
電動(dòng)汽車
用電池鋰離子電池是未來移動(dòng)和節(jié)能形式的關(guān)鍵技術(shù)，并且由于更高的功率密度和更低的成本等特性而正在取得進(jìn)展。這些電動(dòng)汽車電池的大規(guī)模生產(chǎn)正在顯著增加，這主要是由于電動(dòng)汽車的趨勢。據(jù)幾位研究分析師稱，64年，這些電池中約有2018%是為全球電動(dòng)汽車生產(chǎn)的，到2025年，這一比例將上升到85%以上。
這種增長也是由于它們變得越來越經(jīng)濟(jì)。根據(jù)在幾個(gè)電動(dòng)汽車論壇上提出的最新預(yù)測，到2021年，鋰離子電池系統(tǒng)的價(jià)格將下降到電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車競爭的程度。
提供高性能所需的主要挑戰(zhàn)是增加續(xù)航里程、提高充電速度和降低維護(hù)成本。許多公司提供電力存儲(chǔ)解決方案，提供廣泛的工作溫度范圍，并擴(kuò)展混合動(dòng)力（HEV）、插電式混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車的范圍。先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)旨在提高能量密度。
鋰離子電池電芯有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)問題：一個(gè)是材料化學(xué)，另一個(gè)是電子，這意味著當(dāng)過度充電時(shí)，它會(huì)造成永久性損壞和過熱。因此，擁有BMS來提供保護(hù)和能量控制非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)上是電池系統(tǒng)的“大腦”;它測量和報(bào)告信息，這對系統(tǒng)至關(guān)重要，并保護(hù)其在各種操作條件下免受損壞。
電池管理系統(tǒng)
電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為支持長時(shí)間的閑置。因此，模塊電路的備用電源必須比自放電電池消耗更少的能量，這大大降低了過度充電的風(fēng)險(xiǎn)。為了跟蹤EV/HEV的負(fù)載動(dòng)態(tài)，包括放電和充電工作模式，電子電池監(jiān)控組件以每秒50個(gè)樣本或更高的速率檢查電池電壓。這意味著來自電池組的原始數(shù)據(jù)流速率很高，有時(shí)60節(jié)電池組的有效載荷為96kbits/s。
電池單元的排列需要特別注意，因?yàn)樗鼈兊某叽绾椭亓繉囕v內(nèi)的維護(hù)和分配具有實(shí)際意義。按模塊組織的電池有助于分配重量并易于管理。
在實(shí)踐中，電動(dòng)汽車BMS的主要功能可以總結(jié)如下：
電池保護(hù)，防止在安全操作區(qū)域之外的操作
通過估計(jì)充電和放電操作期間的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）來監(jiān)控電池
通過平衡電池來優(yōu)化電池，以提高電池壽命和容量，從而優(yōu)化電動(dòng)汽車的行駛里程
集成電路解決方案
BMS可以監(jiān)控電池使用情況，從而優(yōu)化車輛的整體性能。該系統(tǒng)通過控制工作區(qū)域、平衡SOC和保護(hù)它來進(jìn)一步管理可充電電池。
根據(jù)聯(lián)合市場研究公司的數(shù)據(jù)，全球汽車電池管理系統(tǒng)市場按電池類型、車輛類型、連接拓?fù)浜偷貐^(qū)進(jìn)行細(xì)分。這個(gè)市場上有各種各樣的參與者，提供一系列產(chǎn)品。以下是一些示例。
英飛凌科技股份公司為汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中使用的鋰離子電池組提供TLE9012AQU多通道電池監(jiān)控和平衡系統(tǒng)IC。TLE9012AQU提供四個(gè)主要功能：電池電壓測量、溫度測量、電池平衡以及與主電池控制器的隔離通信。此外，TLE9012AQU提供了必要的診斷工具，以確保受控電池的正常運(yùn)行（圖1）。
ADI公司（ADI）基于AD7284管理板的BMS監(jiān)控2通道鋰離子電池，包括監(jiān)控堆疊電池所需的所有功能和診斷功能，包括檢測開路輸入、通信和電源故障（圖7284）。AD《》監(jiān)控系統(tǒng)非常適合監(jiān)控EV/HEV和固定電源應(yīng)用中的鋰離子電池。
AD7284的特點(diǎn)是多路復(fù)用電池電壓和輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量通道，支持《》至《》節(jié)電池管理單元、內(nèi)部溫度傳感器和控制定時(shí)器。四個(gè)輔助ADC輸入通道用于溫度測量和系統(tǒng)診斷。
具有14位分辨率的完整監(jiān)控系統(tǒng)集成了多個(gè)電壓輸入通道和一個(gè)輔助ADC。主板上的組件包括使用ADuM1201和ADuM5401數(shù)字隔離器隔離的電源和接口，以及通過ADP3303和ADP7104穩(wěn)壓器的電源。
瑞薩電子提供ISL78692和ISL78693汽車級單節(jié)電池充電器，可延長鋰離子、鋰聚合物（Li-polymer）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）汽車緊急呼叫（eCall）系統(tǒng)中使用的電池。
ISL78692是一款集成式單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，能夠在低至2.65V的輸入電壓下工作（冷啟動(dòng)箱）。當(dāng)交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線性充電器，也可以與限流適配器配合使用，以最大程度地減少散熱。ISL78692具有充電電流熱折返功能，可在印刷電路板的散熱因空間限制而受到限制時(shí)保證安全操作（圖3）。
電池監(jiān)視器捕獲關(guān)鍵電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構(gòu)成了下一代高功率系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用）的完整監(jiān)控和平衡解決方案的一部分。
德州儀器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的時(shí)間內(nèi)提供高達(dá)200S的電池模塊電池電壓測量。集成的前端濾波器使系統(tǒng)能夠在電池輸入通道上使用簡單的低電壓額定值差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)。它還帶有集成的電流測量功能，可選擇與電池電壓測量同步，以實(shí)現(xiàn)更好的SOC計(jì)算。該器件支持自主內(nèi)部電池平衡，具有溫度監(jiān)控功能，可自動(dòng)暫停和恢復(fù)平衡，以避免出現(xiàn)過熱情況（圖4）。
ISL78692是一款集成式單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，能夠在低至2.65V的輸入電壓下工作（冷啟動(dòng)箱）。當(dāng)交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線性充電器，也可以與限流適配器配合使用，以最大程度地減少散熱。ISL78692具有充電電流熱折返功能，可在印刷電路板的散熱因空間限制而受到限制時(shí)保證安全操作（圖3）。
電池監(jiān)視器捕獲關(guān)鍵電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構(gòu)成了下一代高功率系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用）的完整監(jiān)控和平衡解決方案的一部分。
德州儀器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的時(shí)間內(nèi)提供高達(dá)200S的電池模塊電池電壓測量。集成的前端濾波器使系統(tǒng)能夠在電池輸入通道上使用簡單的低電壓額定值差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)。它還帶有集成的電流測量功能，可選擇與電池電壓測量同步，以實(shí)現(xiàn)更好的SOC計(jì)算。該器件支持自主內(nèi)部電池平衡，具有溫度監(jiān)控功能，可自動(dòng)暫停和恢復(fù)平衡，以避免出現(xiàn)過熱情況（圖4）。
每個(gè)電池電壓的測量精度以及片上庫侖計(jì)數(shù)的電流。該設(shè)備最多可以監(jiān)控七個(gè)NTC。信息通過SPI通信或隔離接口傳輸（圖5）。
結(jié)論
電動(dòng)汽車市場的增長將為優(yōu)化能源管理帶來新的解決方案。特別是，電池將在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，有助于優(yōu)化電動(dòng)汽車的性能，同時(shí)確保電池組的安全性。
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