隨著(zhù)電池化學(xué)特性、可靠性和相關(guān)技術(shù)的日趨穩定，汽車(chē)電池管理系統（BMS）的設計也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設計人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車(chē)環(huán)境下優(yōu)化BMS測量并實(shí)現系統的最佳性能。毫伏和毫安精度的電池測量仍是重點(diǎn)，并需要實(shí)時(shí)同步采集這些電壓和電流數據用以功率計算。

 

此外，BMS還須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度地提高數據的完整性，以識別、區分并根據錯誤或可疑數據進(jìn)行判斷。經(jīng)過(guò)持續探索和優(yōu)化，BMS IC制造商已可以提供關(guān)鍵體系架構，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)（EV）電池管理系統對全面監控，嚴格的安全性，可靠性和高性能的要求。

 

由于電池性能會(huì )隨正常使用而退化，因此BMS IC的選擇對于延長(cháng)電池組的使用壽命也至關(guān)重要。在工作過(guò)程中，電池組健康狀態(tài)（SOH）的準確性可以幫助車(chē)輛電池管理電子設備在電池使用與供電控制上進(jìn)行優(yōu)化，以延長(cháng)電池組的剩余壽命。 電池管理IC能否在車(chē)輛使用壽命內保持其精確的測量精度，是直接影響電池管理設計的關(guān)鍵要素。電池電芯測量中的任何偏差或不穩定都會(huì )直接影響車(chē)輛的行駛里程和電池壽命，進(jìn)而影響汽車(chē)制造商的維修及經(jīng)營(yíng)成本。

 

為電動(dòng)汽車(chē)供電的鋰離子電池通常有8-10年的保修期。此后，則認為其不再適用于車(chē)輛牽引，但電池可能仍保持其原始容量的80%。因此可以將車(chē)輛使用過(guò)的舊電池組以指定的剩余壽命遷移到其它需自耗電池的應用中，進(jìn)行二次使用。

 

對汽車(chē)制造商而言，成功的BMS需要在系統設計初期就仔細選擇BMS IC。制造商需要了解在整個(gè)操作環(huán)境和車(chē)輛使用壽命的過(guò)程中，特別是高電壓電池和逆變器噪聲等惡劣的電磁干擾（EMI）環(huán)境下，各個(gè)IC供應商所提供的產(chǎn)品測量精度與穩定性之間的差異。

 

優(yōu)良的鋰離子監測系統四個(gè)最重要的標準：

• 精度——對于具有平坦放電曲線(xiàn)的電池類(lèi)型（如磷酸鐵鋰電池），電池精度是最重要的標準；

• 全面診斷——除了監測每個(gè)電芯的狀態(tài)外，系統還須不間斷地對其自身進(jìn)行功能安全檢測，以確保每個(gè)IC都以預期的精度運行；

• 可靠通信——監控系統的所有環(huán)節都必須協(xié)調運行，因此必須確保系統間通信的可靠性，而大多數傳統通信方法則無(wú)法滿(mǎn)足嘈雜行車(chē)環(huán)境中這一需求。

• 安全性——系統通過(guò)適當地管理鋰離子電池避免故障與安全問(wèn)題。發(fā)生故障時(shí)，系統必須采取適當的控制措施，同時(shí)避免誤報。

 

磷酸鐵鋰電池由于其低內部阻抗而適用于較小的電池組。這種電池類(lèi)型使系統工程師需要檢測電池放電時(shí)電池電壓的細微變化。而測量這些微小變化需要復雜的模擬前端（AFE）、準確且穩定的電壓基準以及精密的模數轉換器（ADC），這對BMS IC設計人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰。

 

多電池平衡IC中的關(guān)鍵要素

準確的電壓基準是所有BMS IC的核心。芯片所采用的參考拓撲類(lèi)型各不相同，帶隙結構是最常用的，它們在精度與芯片面積之間，以及整個(gè)溫度范圍內的精度都做了最佳的權衡。例如，ISL78714鋰電池組管理IC使用了精確的帶隙基準設計，這一設計具有良好的應用記錄，并非常適合要求苛刻的汽車(chē)應用。該技術(shù)穩定、成熟、特點(diǎn)鮮明，并經(jīng)過(guò)多年應用及優(yōu)化。準確的電壓基準直接影響汽車(chē)制造商的保修和經(jīng)營(yíng)成本指標，是設計人員計算車(chē)輛電池壽命時(shí)考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。

 

除了精度基準，用于測量精度的另一個(gè)關(guān)鍵功能模塊是ADC，主電池電壓測量模塊。兩種最流行和最常用的ADC類(lèi)型是逐次逼近寄存器（SAR）和delta-sigma。在這兩種技術(shù)中，SAR具有最快的采樣率，能夠提供高速的電壓轉換和出色的抗噪性，但往往需要更大的芯片面積。SAR ADC是可以提供數據采集速度、精度、強度和抗電磁干擾能力組合的最佳選擇。

 

IC設計人員也會(huì )傾向于delta-sigma ADC，因為它們通常需要較小的芯片面積且相對容易實(shí)現。但由于使用了抽取濾波器，它們的速度往往較慢，這會(huì )降低采樣率和數據采集速度。采用delta-sigma ADC時(shí)的另一個(gè)考慮因素是在受到EMI干擾時(shí)趨于飽和，這可能導致在準確報告電芯電壓時(shí)出現延遲（通常為三個(gè)完整的轉換周期）。

 

單個(gè)電池的接口由AFE管理，該AFE包括輸入緩沖器、電平移位器和故障檢測電路。當電池最初連接到BMS時(shí)，AFE是處理熱插拔瞬變的關(guān)鍵。BMS IC采用全差分AFE設計，可在不影響相鄰電池測量的情況下測量負輸入電壓（±5V），這在需要總線(xiàn)互聯(lián)的系統中十分有利。為提高瞬態(tài)條件下的強度，電池電壓輸入端增加了一個(gè)外部低通濾波器。

 

輸入濾波的設計經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在不影響速度或精度的同時(shí)獲得最大的EMI和熱插拔抗擾度。相比之下，使用雙極而非電荷耦合AFE的集成電路的精度和長(cháng)期偏移會(huì )因為外部輸入濾波器選擇的組件值而大大降低。圖1顯示了BMS IC的三個(gè)功能模塊及其互聯(lián)的簡(jiǎn)化圖示。