探秘電動車電池背后的先進技術

幾十年來，汽車行業(yè)一直在慢慢整合，而技術和品牌差異化卻在減少。動力總成是將能量轉化為運動的系統(tǒng)，可以說是汽車制造商最寶貴的知識產(chǎn)權，經(jīng)歷了一個多世紀的完善改進。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正在經(jīng)受挑戰(zhàn)。

一輛典型的內燃機(ICE)汽車有一個15加侖的油箱，相當于近500千瓦時的電能。15加侖的汽油可轉化為內燃機汽車375英里的續(xù)航里程；500千瓦時的電能可轉化為電動汽車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，但如今這一代電動汽車面臨的最大問題，是其電池容量比不上內燃機汽車的續(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，最終導致電池故障。電池管理系統(tǒng)的主要功能是確定和控制構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，這些測量的準確性直接決定了荷電狀態(tài)管理的好壞。總之，電池管理系統(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鍵。

注：要想準確、連續(xù)地測量緊密結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、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)和解決方案的領先供應商，ADI公司的電池管理產(chǎn)品專注于幾個關鍵方面：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）、互連設備的通信網(wǎng)絡（通過導線或無線網(wǎng)絡），以及控制這些設備的軟件。這些電子裝置的目標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，最關鍵的設備是高電壓電池監(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鍵參數(shù)；測量精度和同步性是關鍵特性。

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、重量和可靠性至關重要。測量誤差會導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。

圖1.多電芯監(jiān)控器的簡化說明

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。

ADI電池管理系統(tǒng)通信技術

ADBMS6815系列電池監(jiān)控器采用菊花鏈式互連設計，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，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)。

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。

安全

在電池管理系統(tǒng)的所有目標中，確保電池包的安全是最重要的。識別和補救集成電路內的潛在故障需要內置自檢能力和冗余。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系列零件的設計支持ISO 26262 ASIL-D標準。

注：ISO 26262是一個普遍采用的汽車功能安全標準，旨在確保汽車電氣設備和系統(tǒng)在整個生命周期內的安全。ASIL-D是本ISO標準中的一種風險分類，代表系統(tǒng)中最高的汽車安全級別。ADI部件的設計和認證旨在支持ASIL-D，確保使用ADI部件的汽車制造商能夠實現(xiàn)這一關鍵里程碑。

此外，通過滿足ISO 26262標準，設計人員可以滿足其它功能安全標準，如IEC 61508，從而也滿足非自動應用的標準。

低功耗電芯監(jiān)控

除了確保為車輛提供穩(wěn)定、可預測、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，但電芯的缺陷會導致電池隨著時間的推移而縮短壽命，并導致熱失控，造成災難性的結果。為此，電池管理系統(tǒng)需要對可能預示任何潛在問題的情況進行監(jiān)控。 買電子元器件現(xiàn)貨上唯樣商城

電芯并不會因為不使用而處于惰性狀態(tài)。作為電化學設備，即使在靜止狀態(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。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?shù)臋z查。如果電池監(jiān)控器未能提供定期確認信號，電池管理系統(tǒng)也會收到警報。

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）構建通用設計，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，從而獲得更準確的荷電狀態(tài)。

圖2.有線電池管理系統(tǒng)的概要

圖3.wBMS用無線電取代了通信線路

計算這些I/O引腳也可以控制I2C或SPI子節(jié)點設備，實現(xiàn)更復雜的功能，比如增加多路復用器，來擴大模擬輸入或EEPROM，從而存儲校準信息。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300mA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。均衡過程可以設置為一個特定的時間段，并在達到預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

○ 304 μs內可完成系統(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)形拓撲結構；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I2C或SPI主機

○ SLEEP模式電源電流：5.5 μA

○ 48引腳7 mm × 7 mm LQFP封裝

結論

未來30年內，世界將從內燃機轉向電動乘用車。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)技術是一個關鍵的推動因素。

領先的電池管理系統(tǒng)產(chǎn)品，如ADBMS6815系列，正在推動未來的發(fā)展。這些IC經(jīng)認證符合ISO 26262 ASIL-D標準，其電芯電壓和溫度測量精度在業(yè)內屬領先水平。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。設計人員可以放心地選擇ADI公司產(chǎn)品，相信ADI市場領先技術可以提供當今出色的電池管理系統(tǒng)，并在不斷擴大創(chuàng)新基礎上，促進未來前沿系統(tǒng)的發(fā)展。

來源：ADI，作者：ADI電池管理系統(tǒng)部營銷經(jīng)理 Greg Zimmer

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