在電動汽車所有的電子系統(tǒng)中，電池系統(tǒng)無疑是大家都密切關(guān)注的。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身鋰離子電池以及電池管理系統(tǒng)，也就是我們常說的BMS。BMS既要能夠大幅度提高電池的使用率，也要對電池的安全性負(fù)責(zé)。

BMS中采集器與控制器是兩大核心，目前采集器基本上都使用集成AFE，只有少數(shù)還在使用很早的分立元件采樣電路。采集器里的重中之重就是AFE芯片，這一塊國內(nèi)起步較晚，基本被國外大廠所壟斷，ADI、TI、NXP、松下、ST等等。

僅從AFE芯片本身的角度來看，各個不同AFE在外比較通道數(shù)量、面積、成本，在內(nèi)比的是穩(wěn)定性。在不同通道數(shù)量和采集性能（電壓采集誤差、速度、漏電流），每個芯片企業(yè)在模擬采集處理這里的差異還是挺大的。

合適的AFE——低噪高精度

首先我們需要的明確的是相對其他器件擁有廣泛的選擇來說，AFE可供選擇的余地并不那么多，目前市面上主流國際大廠那些我們較為熟悉的AFE，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以說是大同小異，不同點更多集中在硬件資源方面以及針對功能安全要求設(shè)計的架構(gòu)形式。

以ADI的LTC系列為例，為了實現(xiàn)卓越的準(zhǔn)確度，系列采用了一個專用掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)，掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)隨時間和工作條件變化，能實現(xiàn)以不到1.2mV的誤差測量，穩(wěn)定和準(zhǔn)確兼顧。像LTC6811可測量多達(dá)12個串接電池的電壓，不超過1.2mV的總測量誤差。所有的12節(jié)電池可在不超過290μs內(nèi)完成測量。

進(jìn)一步看，如何在有噪聲的情況下確保測量準(zhǔn)確度？主流廠商的做法是通過ADC，但需要在降低噪聲與轉(zhuǎn)換速度之間進(jìn)行權(quán)衡，也就是選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率來實現(xiàn)更高的噪聲抑制。使用增量累加ADC多次采樣，然后進(jìn)行數(shù)字濾波。集成的低通濾波會消除作為測量誤差源的噪聲，確保前端在有噪聲的情況下仍然確保測量準(zhǔn)確度。

下面是主流BMS模擬前端廠商各系列主流型號在通道數(shù)以及測量總誤差指標(biāo)對比。


選擇AFE時，首先關(guān)注的肯定是采集精度以及測量誤差。采集精度是前提，剩下的不同主要在采樣通道數(shù)量、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型與架構(gòu)上。如果再細(xì)一點，那就細(xì)節(jié)到溫度點數(shù)量，功能安全需求等。除此之外，EMC是一個不可忽視的因素，在復(fù)雜的汽車射頻環(huán)境下模擬前端的EMC也是很重要的一環(huán)。

BMS模擬前端：通信與可靠性

在車規(guī)應(yīng)用上，往往會使用多種BMS監(jiān)視拓?fù)鋪頋M足器件對準(zhǔn)確性、可靠性、成本和功耗的需求。要知道為了在電動汽車/混合動力汽車的高EMI環(huán)境中支持分布式模塊化拓?fù)?，穩(wěn)健的通信系統(tǒng)必不可少。

在TI經(jīng)典的BQ系列模擬前端上，有多個GPIO/輔助輸入可用于熱敏電阻測量、驅(qū)動繼電器、測量電壓以及用作外圍 SPI 器件的主SPI接口，還支持通過UART進(jìn)行通信。此外，BQ系列模擬前端上隔離式差分菊花鏈通信接口允許主機通過單個接口與其他UIR監(jiān)視器甚至電芯監(jiān)視器進(jìn)行通信。如果將菊花鏈通信接口配置為環(huán)形架構(gòu)，主機在通信線路中斷時能夠與堆疊任一端的器件進(jìn)行通信。

NXP的MC3377系列BMS AFE同樣支持標(biāo)準(zhǔn)SPI和變壓器隔離菊花鏈與MCU進(jìn)行通信，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制。通過變壓器物理層以菊花鏈形式連接BJB是一個很有吸引力的辦法。TPL接口專為BMS設(shè)計，能夠支持高隔離電壓，還有更高的電磁兼容性EMC特性以及更快的通信速度和同步測量，降低了與本地軟件有關(guān)的復(fù)雜性。

ADI則通過創(chuàng)新的雙線式isoSPI實現(xiàn)低功耗和高可靠性。為了提高可靠性，將isoSPI收發(fā)器連接到電池組的頂部，創(chuàng)建一個支持雙向通信的環(huán)形拓?fù)?，從而實現(xiàn)雙通道高可靠性通信。isoSPI接口還提供了抗噪接口用于高電平RF信號，利用該接口可以將模塊通過長電纜以菊花鏈形式連接，并以高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率運行。

在電池組這種充滿電磁干擾挑戰(zhàn)的環(huán)境里數(shù)據(jù)通信鏈路肯定要進(jìn)行特別處理，以確保測量芯片與系統(tǒng)控制器之間穩(wěn)健可靠的通信。

小結(jié)

不難看出，集成式BMS AFE在芯片層面解決了相當(dāng)一部分的系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能安全的問題。目前主流的這些BMS模擬前端，從高精度到低噪聲，從通信設(shè)計到系統(tǒng)穩(wěn)健性都領(lǐng)先不少。車載應(yīng)用上很難脫離這些芯片。畢竟在汽車惡劣的浪涌脈沖困難下，如果前端設(shè)計不好，后面的設(shè)計也無從談起。

在上述這些主流AFE極度缺貨的背景下，一些國產(chǎn)替代芯片獲得了不少認(rèn)可，下期我們來看看國內(nèi)的高精度BMS模擬前端芯片。