【導讀】電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）的市場份額在2020年可能達到30%。這種市場吸引力是由于對內(nèi)燃機（ICE）汽車環(huán)境影響的擔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，從而在電池技術和電池組安全性方面取得了重大進步。
本文闡述了電池監(jiān)測集成電路如何提高電動汽車和混合動力汽車的安全性。
電動汽車/混合動力汽車的電池管理系統(tǒng)
電池驅(qū)動的汽車用不使用汽油作為能源的電動機取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機。相反，電池儲存電能供電動機使用。電動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，從而為汽車電子設備（如加熱器和自動車窗）提供動力；
電源逆變器，將電池的能量傳輸?shù)诫妱訖C；
監(jiān)測電池組電壓、電流和溫度的電池監(jiān)測器和電流傳感器；
以及一個主微控制器（MCU），充當“大腦”并協(xié)調(diào)電動汽車內(nèi)的所有動作。
圖1展示了電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的高層架構。
圖1電池管理系統(tǒng)有助于監(jiān)測和控制電動汽車/電動汽車的高壓電池組。
在典型的應用中，電池監(jiān)視器堆疊成菊花鏈，如圖2所示。每個設備通過感應線與電池芯相連，以監(jiān)控電池組中的每一個電池。堆棧中的每個監(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備。為了方便主機MCU和堆棧設備之間的通信，需要橋接設備。
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，因為它會導致不可阻擋的連鎖反應。當溫度迅速上升到400℃時，儲存在電池中的能量會突然釋放出來。這會導致電池變成氣態(tài)，并可能引發(fā)火災。
熱失控可由以下幾個因素引起：
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)測電池是至關重要的。電池監(jiān)控器的設計旨在解決所有這些問題，并幫助電動汽車和混合動力汽車更安全。
電壓監(jiān)測
不準確報告的電壓可能導致MCU對電池過度充電，可能損壞電池或?qū)е聼崾Э?。此外，測量冗余對于提高安全性和防止故障或隨時間推移而漂移至關重要。兩個完全獨立的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和兩個獨立的路徑可以幫助實現(xiàn)汽車安全完整性等級D（ASIL-D）符合ISO 26262標準。
冗余設計用于檢測其中一個ADC中的任何故障，并用于從獨立ADC對測量精度進行雙重檢查。在安全診斷過程中，如果測量出現(xiàn)故障或偏移，將使用具有完全獨立路徑和基準的輔助ADC，對同一個單元的測量值進行雙重檢查和測量。
以Texas Instruments公司的BQ79606A-Q1汽車精密電池監(jiān)控器、平衡器和集成保護器為例：每個通道有六個專用的delta-sigma ADC和一個用于冗余的輔助ADC。該器件有一組窗口比較器，它獨立于主采集路徑為所有六個通道提供單元電壓監(jiān)測，并與主ADC路徑并行工作。此比較器功能與ADC功能完全獨立；因此，即使ADC功能失效，模擬比較器仍會標記欠壓和過壓比較器閾值的交叉。
電池溫度監(jiān)測
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，一些開關元件消耗功率并釋放部分功率作為熱量，從而導致電池外殼的熱增加。監(jiān)測和控制電池組溫度對于維護電池組的健康和安全以及防止熱失控至關重要。
今天的電池監(jiān)視器有幾個通用的輸入/輸出（gpio）用于溫度傳感。BQ79606A-Q1精密電池監(jiān)測器可在六通道電池組中測量多達六個恒溫器，精度高，提供大量冗余，以防止溫度監(jiān)測故障。該設備使用一個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，比較器循環(huán)通過每個溫度感應輸入，并將電壓與編程的閾值進行比較。該比較器功能與ADC功能完全獨立；即使ADC功能失效，模擬比較器也會標記出溫度過低和過高的比較器閾值的交叉點。主機MCU將立即通過故障線路通知MCU，以觸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并在達到不可忍受的溫度之前采取預防措施。
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。每個設備將其信息通過下游的另一個設備傳遞到主機。堆棧中的設備和主機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)進行快速和完整的診斷。MCU應該與堆棧中的任何設備進行可靠通信，以讀取、配置和執(zhí)行診斷。
然而，電動汽車的噪音環(huán)境對電池監(jiān)控器提出了真正的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，TI的電池監(jiān)視器使用了兩個引腳COM*P和COM*N的差分信號。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，信號完整性保持不變，差分噪聲消除。驅(qū)動器可承受高達±20V的噪聲振幅。此外，內(nèi)置于通信信號中的診斷機制有助于確保如果由于某種原因信號被破壞，設備將檢測到通信故障。這種體系結(jié)構確保了與主機的可靠和快速通信。
鋰離子電池對過度充電、極端溫度和物理損傷非常敏感。任何一種情況都可能導致電池的熱失控。為了防止電池過充電，電池監(jiān)測儀已經(jīng)發(fā)展成高度安全和精確地監(jiān)測電池電壓。通過多重冗余對組件進行溫度監(jiān)控，以確保組件溫度在可接受的范圍內(nèi)。堆棧監(jiān)視器之間的通信設計為能夠承受噪聲環(huán)境，并確保信息安全地傳輸?shù)街鱉CU。
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