【導讀】電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）的市場(chǎng)份額在2020年可能達到30%。這種市場(chǎng)吸引力是由于對內燃機（ICE）汽車(chē)環(huán)境影響的擔憂(yōu)增加以及降低燃料成本的努力。因此，汽車(chē)制造商正在投資于其車(chē)輛的電氣化，從而在電池技術(shù)和電池組安全性方面取得了重大進(jìn)步。
本文闡述了電池監測集成電路如何提高電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的安全性。
電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的電池管理系統
電池驅動(dòng)的汽車(chē)用不使用汽油作為能源的電動(dòng)機取代了傳統的內燃機。相反，電池儲存電能供電動(dòng)機使用。電動(dòng)汽車(chē)由許多部件組成，包括：
車(chē)載充電器，直接從電網(wǎng)給電池充電；
一個(gè)DC/DC轉換器，它將功率轉換為較低的電壓，從而為汽車(chē)電子設備（如加熱器和自動(dòng)車(chē)窗）提供動(dòng)力；
電源逆變器，將電池的能量傳輸到電動(dòng)機；
監測電池組電壓、電流和溫度的電池監測器和電流傳感器；
以及一個(gè)主微控制器（MCU），充當“大腦”并協(xié)調電動(dòng)汽車(chē)內的所有動(dòng)作。
圖1展示了電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統（BMS）的高層架構。
圖1電池管理系統有助于監測和控制電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)的高壓電池組。
在典型的應用中，電池監視器堆疊成菊花鏈，如圖2所示。每個(gè)設備通過(guò)感應線(xiàn)與電池芯相連，以監控電池組中的每一個(gè)電池。堆棧中的每個(gè)監視器都通過(guò)通信線(xiàn)路將信息從堆棧頂部傳輸到底部設備。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電池監視器堆疊成菊花鏈配置。
使用電池監控器提高安全性
熱失控是HEV/EV系統安全問(wèn)題的主要原因，因為它會(huì )導致不可阻擋的連鎖反應。當溫度迅速上升到400℃時(shí)，儲存在電池中的能量會(huì )突然釋放出來(lái)。這會(huì )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(gè)因素引起：
如果電池在事故后受到物理?yè)p壞或有物體穿透電池組，則電池內部短路。
一種外部短路，可以釋放無(wú)限量的能量，從而使電池迅速升溫。
電池過(guò)充電超過(guò)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，監測電池是至關(guān)重要的。電池監控器的設計旨在解決所有這些問(wèn)題，并幫助電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)更安全。
電壓監測
不準確報告的電壓可能導致MCU對電池過(guò)度充電，可能損壞電池或導致熱失控。此外，測量冗余對于提高安全性和防止故障或隨時(shí)間推移而漂移至關(guān)重要。兩個(gè)完全獨立的模擬-數字轉換器（ADC）和兩個(gè)獨立的路徑可以幫助實(shí)現汽車(chē)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(gè)ADC中的任何故障，并用于從獨立ADC對測量精度進(jìn)行雙重檢查。在安全診斷過(guò)程中，如果測量出現故障或偏移，將使用具有完全獨立路徑和基準的輔助ADC，對同一個(gè)單元的測量值進(jìn)行雙重檢查和測量。
以Texas Instruments公司的BQ79606A-Q1汽車(chē)精密電池監控器、平衡器和集成保護器為例：每個(gè)通道有六個(gè)專(zhuān)用的delta-sigma ADC和一個(gè)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(gè)通道提供單元電壓監測，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(huì )標記欠壓和過(guò)壓比較器閾值的交叉。
電池溫度監測
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(kāi)關(guān)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(guān)重要。
今天的電池監視器有幾個(gè)通用的輸入/輸出（gpio）用于溫度傳感。BQ79606A-Q1精密電池監測器可在六通道電池組中測量多達六個(gè)恒溫器，精度高，提供大量冗余，以防止溫度監測故障。該設備使用一個(gè)集成的窗口比較器來(lái)監控GPIO的輸入，以確定電池的溫度過(guò)高和過(guò)低。
啟用時(shí)，比較器循環(huán)通過(guò)每個(gè)溫度感應輸入，并將電壓與編程的閾值進(jìn)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(huì )標記出溫度過(guò)低和過(guò)高的比較器閾值的交叉點(diǎn)。主機MCU將立即通過(guò)故障線(xiàn)路通知MCU，以觸發(fā)冷卻系統，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，電池監視器可堆疊成菊花鏈配置。每個(gè)設備將其信息通過(guò)下游的另一個(gè)設備傳遞到主機。堆棧中的設備和主機MCU之間的通信線(xiàn)路必須是穩定的，以確保在短短幾毫秒內進(jìn)行快速和完整的診斷。MCU應該與堆棧中的任何設備進(jìn)行可靠通信，以讀取、配置和執行診斷。
然而，電動(dòng)汽車(chē)的噪音環(huán)境對電池監控器提出了真正的挑戰。為了解決這個(gè)問(wèn)題，TI的電池監視器使用了兩個(gè)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)境中被監控。
圖3這是菊花鏈通信性能在噪聲存在下的外觀(guān)。
在所有頻率下，信號完整性保持不變，差分噪聲消除。驅動(dòng)器可承受高達±20V的噪聲振幅。此外，內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。這種體系結構確保了與主機的可靠和快速通信。
鋰離子電池對過(guò)度充電、極端溫度和物理?yè)p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(guò)充電，電池監測儀已經(jīng)發(fā)展成高度安全和精確地監測電池電壓。通過(guò)多重冗余對組件進(jìn)行溫度監控，以確保組件溫度在可接受的范圍內。堆棧監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到主MCU。
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