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汽車鋰電池管理系統的設計挑戰與解決方案
 

【作者: ADI】   2012年08月07日 星期二

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通常,輕混/中混型混合動力汽車所需的電池電壓在60 V至200 V之間。鎳氫電池在這些電壓和能量級別上有一定的優勢。然而,強混合/插電式混合動力或純電動汽車通常需要300 V以上的電池組,鋰電池正是理想之選。而且提供同樣動力的情況下,鋰電池的體積和重量要比其它類型的充電電池小很多。正如亨利•福特於1923年所談到的“即使節省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快,並且消耗更少的燃料。”


據IHS公司的充電電池專題報告,由於價格下滑,以及來自電動和混合動力汽車市場的需求推動,鋰離子將成為全球最主要的充電電池技術,2010-2020年營業收入將銳增350%,達到537億美元。


為了最大限度地利用鋰電池的電能,充分保證使用壽命,並且最重要的是達到汽車應用環境可接受的安全水準,必須引入複雜的電池監控電路,即電池管理系統(BMS)。這些電子電路能夠監控電池單元的電壓與溫度,監控由多個電池單元串聯而成的電池組的電壓與電流,平衡電池單元之間的電壓,並跨越勢壘傳輸資料信號,其目的在於確保電池在驅動和充電時高效、安全地工作,並能延長電池的使用時間。


系統需求與設計挑戰

隨著汽車製造廠商對下一代電池管理和充電系統要求的確定,半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發進程。儘管電池組尺寸不同,但各種鋰電池動力系統在以下幾方面具有類似的要求:


  • (1)具備監控功能;


  • (2)在苛刻的環境下能夠保持良好的性能;


  • (3)提供可靠、安全的電量管理;


  • (4)降低系統的整體成本。



在高共模電壓和高達200A開關瞬變的情況下,BMS必須對不同的電池單元進行精確的測量。系統的精度必須達到mV級,採樣必須在嚴格的延遲時間範圍內保持同步。採樣速度和精度都會影響整個系統的效率。


可靠性是關鍵要求之一。系統必須提供安全機制,以便檢測電池單元、電纜、監控電路和通信匯流排等的故障。一般使用主監控器和備用監控器來給系統提供冗餘性能。此外,資料保護機制也有助於進行錯誤檢測。


系統還要求BMS具備較低功耗以減少對電池電量的消耗,同時避免加劇電池不平衡,所以主監控器IC、備用監控器IC和隔離電路的功耗應盡可能低。



圖一 :  典型的鋰電池監控系統方框圖
圖一 :  典型的鋰電池監控系統方框圖

典型的鋰電池監控系統

圖1所示即為一個典型的鋰電池監控解決方案系統實例,採用了ADI公司的晶片方案。其中AD7280A為主監控器IC,測量每個電池單元的電壓和溫度,同時檢測電池單元間可能出現的不平衡狀態。而AD8280為ADI獨家提供的安全監視器IC,通過基於比較器的解決方案產生可能的報警信號,同樣以菊輪鍊的模式回傳,形成一種純硬體的高可靠性“二次保護體系”。電流則通過精密轉換處理器ADuC703x進行測量。集成PGA、ADC和處理器內核的ADuC703x為用戶提供了一個經濟、高效的電池組電流測量方案,可實現超高動態範圍和精度的電流測量。



圖二 :  高集成度鋰電池監控器AD7280A功能框圖
圖二 :  高集成度鋰電池監控器AD7280A功能框圖

AD7280A:高集成度鋰電池監控器

如圖2所示,ADI公司的主監控IC產品AD7280A內置對混合動力電動汽車、備用電池應用和電動工具所用疊層鋰離子電池進行通用監控所需的全部功能。


AD7280A能夠對6個通道的電壓和溫度進行監測,典型精度達±1.6 mV(典型值)。多個AD7280A可採用菊輪鍊連接,單個電路板最多可監控48個電池單元。該IC提供業界最快的轉換速度和最佳資料保護。每通道轉換時間僅1 μs,這意味著多個通道的資料轉換幾乎是同步的。完成48個電池單元的轉換和資料讀取還不到2 ms。IC與處理器之間的讀、寫通信可在CRC的保護下進行。此外,IC還提供被動式電池單元平衡控制功能。通常,轉換模式下典型功耗小於6mA;斷電模式下功耗小於1.8uA。


專利的菊輪鍊技術使硬體資源得到節約

利用菊花連結口最多可將8個AD7280A器件堆疊起來,無需對每個器件分別進行隔離就可以電氣連接到電池管理晶片,並且只用一個MCU就能監控48個電池單元(Cell)。


菊花連結口的特性之一是可以通過單個轉換開始命令啟動菊輪鍊堆疊中的所有器件的轉換。轉換開始命令沿著菊輪鍊向上傳遞,從主器件依次傳遞到各AD7280A。



圖三 :  菊輪鍊技術使得BMS硬體資源得到節約
圖三 :  菊輪鍊技術使得BMS硬體資源得到節約

如圖3所示,對於疊層電池模組的監測,如採用AD7280A構成菊輪鍊結構的解決方案,與傳統方案相比,僅需一組隔離通道和一顆微控制器。大大簡化了設計。圖中左側所示為傳統的解決方案,需要使用多路控制器,佔用大量的隔離通道。右側為採用AD7280A的菊輪鍊解決方案,僅需為最底部的器件設計一組隔離器通道。


AD7280A採用ADI專利技術實現疊層電池應用所需的菊輪鍊工作模式,初始化的過程賦予鏈路中的晶片以不同的位址,其中一顆晶片被選為主機,直接與DSP或微控制器通信,主機獲取通信信號後,將信號通過鏈路逐級傳播,與傳統技術相比,這項技術使得硬體資源得到大大節約。


唯一有硬體重定的方案

AD7280A提供兩種關斷選項:完全關斷(硬體)和軟體關斷。這是目前業內唯一有硬體重定的方案,也是ADI BMS方案的一大優勢特性。如果方案不能硬體重定,則無法滿足失效模式分析。


完全關斷(硬體)拉低PD引腳(如上圖2所示)可以將AD7280A置於完全關斷模式,此時最大功耗僅5uA。PD引腳的下降沿關斷所有類比和數位電路。


AD7280A的PD引腳上有一個數位延遲濾波器,防止硬體PD引腳上的雜訊或毛刺引起關斷。要啟動硬體關斷,PD引腳應保持低電平約130­us。同樣,要使AD7280A退出關斷模式,PD引腳也應保持高電平約130u­s。初始上電時,數字延遲濾波器不起作用。PD上升沿後約5m­s時,AD7280A接受上電請求。


“二次硬體保護”為安全加碼

不絕於耳的手機、筆記型電腦鋰電池爆炸事件令人記憶猶新,不久前深圳5.26交通事故電動計程車的起火事件更是加深了人們對電動汽車電池安全性如何保證的擔憂!


ADI公司之前就提出了的“二次硬體保護”理念,旨在給電動汽車電池加上雙保險,並推出相應的一顆備用監控功能IC——AD8280,在監控系統環路的其它電路出現問題時,它可以獨立報告電池故障。AD7280A與AD8280結合使用有助於實現高級別的系統級安全目標。


AD8280也是集成式解決方案,符合 AEC-Q100和 EMI (電磁干擾) 標準,非常適用于汽車應用,可監控六個電池單元的電壓和兩路溫度輸入。該器件由電池組供電,可以針對過壓、過溫或欠壓這三種狀況中的任何一種提供共用式或單獨式報警。


AD8280可根據命令進行廣泛的自測試,能夠促進提升設計師在滿足像 ISO26262 和IEC61508 這類功能性安全需求方面的能力。另外,該器件可支援大範圍連續的行程點設置,為適配各種不同材料的鋰電池提供了靈活度;同時也具備菊輪鍊通信選項,使得對高壓單元中隔離器的需求減至最少;提供了低功耗模式,將不工作時的電池漏電減至最低。



圖四 :  全隔離式鋰離子電池監控和保護系統實驗室電路圖。
圖四 :  全隔離式鋰離子電池監控和保護系統實驗室電路圖。

實驗室電路:全隔離式鋰離子電池監控和保護系統

ADI公司的實驗室電路由ADI工程師設計構建,每個電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規範,電路的功能和性能都在實驗室環境中以室溫條件進行了測試和驗證。這些實驗室電路解決了多種常見的類比、RF/IF和混合信號設計挑戰並配有完備的文檔,易於學習、理解和集成。


圖4即為ADI推出的一個“全隔離式鋰離子電池監控和保護系統”實驗室電路(CN0235:www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0235/vc.html)。電路中的6通道AD7280A器件充當主監控器,向系統演示平臺(SDP-B)評估板提供精確的電壓測量資料,而6通道 AD8280器件充當副監控器和保護系統。兩個器件均採用8 V至30 V的單電源寬工作電壓範圍,工作溫度範圍為–40°C至+105°C工業溫度範圍。


AD7280A內置一個±3 ppm基準電壓源,提供±1.6 mV的電池電壓測量精度。ADC解析度為12位元,轉換48個單元只需7 μs時間。AD7280A具有電池平衡介面輸出,用來控制外部FET電晶體,允許各電池放電,並強行使堆疊中的所有電池單元具有相同電壓。


AD8280獨立於主監控器工作,並提供報警功能,可指示超容差條件。該器件內置自用基準電壓源和LDO,二者均完全採用電池組供電。基準電壓源與外部電阻分壓器一起,用來設置過壓/欠壓的跳變點。每個電池通道都含有可程式設計去毛刺(D/G)電路,以免暫態輸入電平引發報警。


AD7280A和AD8280位於電池管理系統(BMS)的高壓端,具有一個菊花連結口,最多能將8個AD7280A和8個AD8280堆疊在一起,以監控48個鋰離子電池單元的電壓。堆疊中的相鄰AD7280A和AD8280可以直接通信,向上向下傳遞資料,而無需隔離。


堆疊底部的主器件使用SPI介面和GPIO與SDP-B評估板通信,只有在這個地方才需要高壓電流隔離,以便保護SDP-B板的低壓端。數位隔離器ADuM1400、ADuM1401和集成DC-DC轉換器的隔離器ADuM5404共同提供所需的11通道隔離,構成一種緊湊、高性價比的解決方案。ADuM5404還可為較低AD7280A的VDRIVE輸入提供5 V隔離輸出,並為ADuM1400和ADuM1401隔離器提供VDD2電源電壓。


ADI還針對汽車應用推出了電池管理單元(BMU)演示板和評估軟體(如圖5),可説明客戶進行系統內的評估。該演示板也是基於主監控器AD7280A和備用監控器AD8280以及一系列數位隔離器。



圖五 :  ADI提供的鋰電池管理單元(BMU)演示板,可説明客戶進行系統內評估。
圖五 :  ADI提供的鋰電池管理單元(BMU)演示板,可説明客戶進行系統內評估。

小結:將不同的優勢技術整合在一起

菊輪鍊、硬體重定、二次保護這3個關鍵字可是說概括了ADI電動汽車鋰離子電池管理系統(BMS)方案的最大特色。而根據實際市場需求整合各種技術優勢而開發出來的BMS實驗室電路和整體解決方案Demo系統是ADI公司不同于其他廠商的最大優勢。


“現在汽車電子化趨勢越來越明顯,我們的競爭對手和整個行業都非常清楚地看到了這一點,ADI的優勢是可以把不同的技術根據客戶的需求整合在一起,努力做成整體解決方案。”ADI公司大中華區汽車電子高級經理李防震指出,“在BMS這方面,我們把不同的轉換器技術和放大器技術集中在一起,做成電池管理系統。另外,我們和客戶之間緊密合作,第一時間知道客戶的需求是什麼,在我們開發產品的時候會更有針對性。”


  • (本文由ADI美商亞德諾提供)


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