ADI的電動(dòng)汽車BMS和智能座艙汽車音頻總線解決方案

1   電動(dòng)汽車BMS

車用動(dòng)力電池安全性是一個(gè)很復(fù)雜的課題，通過BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測并分析電池運(yùn)行的溫度、電壓和電流等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化，進(jìn)行提前預(yù)警已經(jīng)是提高電池安全的主要解決方案之一，獲得業(yè)界共識(shí)。

此外，精確監(jiān)控電流和電壓分布至關(guān)重要，精度越高，就越能更好地了解電池單元的狀態(tài)，從中獲取的容量就越多，電池組的運(yùn)行也就越可靠。電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響 EV 每次充電所能行駛的里程數(shù)，電池過度充電可能會(huì)引起火災(zāi)或爆炸，而充電不足（或完全放電）則會(huì)導(dǎo)致電池失效。考慮到電池組占汽車總成本近40%，BMS 性能的價(jià)值是顯而易見的，且隨著汽車設(shè)計(jì)師考慮保修和電池組的生命周期成本，這一點(diǎn)也就更加明顯。

ADI BMS產(chǎn)品最大的強(qiáng)項(xiàng)就在于鋰電池的電池管理精度，未來的BMS產(chǎn)品將全面支持電池?zé)崾Э仡A(yù)警的中國國家標(biāo)準(zhǔn)。無論面對(duì)什么環(huán)境，這些極高精度的產(chǎn)品都能把精度控制在非常小的波動(dòng)范圍內(nèi)，且可以保持十年不變。這就能讓車廠以及電池供應(yīng)商能夠大膽使用它的電池容量，而不會(huì)因?yàn)榫炔粔蚨拗菩阅埽瑥亩_(dá)到同樣電池、同樣容量條件下提高整車?yán)m(xù)航里程的目的。

例如ADBMS6815是一款多單元電池堆監(jiān)控器，可測量多達(dá)12個(gè)串聯(lián)電池單元，總測量誤差(TME)小于1.5 mV。ADBMS6815具有（0~5）V的電池測量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用。可在304 μs內(nèi)測量所有12個(gè)電池單元，并選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以便降噪。為同時(shí)監(jiān)測很長的高壓電池串，可將多個(gè)ADBMS6815器件串聯(lián)。每個(gè)ADBMS6815都有一個(gè)isoSPI?接口，用于進(jìn)行不受RF干擾的遠(yuǎn)距離高速通信。多個(gè)器件以菊花鏈形式連接，并為所有器件連接一個(gè)主機(jī)處理器。該菊花鏈可雙向操作，即使通信路徑出錯(cuò)，也能確保通信完整性。

BMS的產(chǎn)品架構(gòu)在往2個(gè)方向發(fā)展，①BMS有線通信架構(gòu)，即BMS每個(gè)電芯模組上有一個(gè)采樣板，采樣板之間是通過隔離的雙絞線連接，組成一個(gè)環(huán)形的有線拓?fù)洹＂谖磥淼陌l(fā)展方向是無線BMS，每個(gè)模塊之間不再有傳輸?shù)耐ㄐ啪€。不管采用哪種通信技術(shù)，BMS系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性的要求是一致的。

無線BMS的優(yōu)勢正在獲得越來越多的生態(tài)廠商的關(guān)注和認(rèn)可。無線BMS使得電池從生產(chǎn)階段到退役回收的全生命周期健康管理得以實(shí)現(xiàn)。在電池的使用過程中，基于ADI的無線BMS方案，電池就有了可供追溯的身份證，會(huì)知道任何時(shí)候電池的使用狀況，并基于這些數(shù)據(jù)計(jì)算出它的監(jiān)控狀態(tài)，這樣就可以評(píng)估它的殘值，未來可以進(jìn)行更好的梯次利用，比如變成一個(gè)大樓的備用電源或者數(shù)據(jù)中心的備用電源，這也是一個(gè)未來發(fā)展的方向。

針對(duì)無線BMS技術(shù)，ADI已經(jīng)與包括中國車企在內(nèi)的全球多家車廠做驗(yàn)證測試，不僅可以提供芯片方案，也會(huì)提供相應(yīng)配套軟件去支持客戶形成系統(tǒng)可用的量產(chǎn)方案，以此幫助客戶快速的走向市場。ADI無線BMS在通用汽車搭載Ultium電池平臺(tái)的量產(chǎn)車輛中首先獲得應(yīng)用。

在2020年初，ADI與中國電動(dòng)汽車百人會(huì)共同發(fā)起成立“電池全生命周期聯(lián)合創(chuàng)新中心”，該創(chuàng)新中心聯(lián)合電池制造商、整車廠、充換電基礎(chǔ)設(shè)施提供商、電池梯次利用廠商等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池的關(guān)鍵特性持續(xù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、安全的電池生命周期管理，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同提供重要數(shù)據(jù)支撐。

這種基于云平臺(tái)的電芯級(jí)別全程無線監(jiān)控，借助無線電池管理系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅在汽車制造上實(shí)現(xiàn)降低成本，更加靈活的電池布局讓電動(dòng)車工業(yè)設(shè)計(jì)更加靈活，同時(shí)能夠在電池生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸整個(gè)流程中全程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和基于云平臺(tái)的監(jiān)測分析。這些信息可以實(shí)時(shí)傳遞到云端，汽車廠商可以通過這些數(shù)據(jù)延長電池以及整個(gè)電動(dòng)汽車的生命周期；產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴可以利用這些數(shù)據(jù)評(píng)估電池的健康狀態(tài)以及殘值，促進(jìn)電動(dòng)汽車二手車市場的健康可持續(xù)發(fā)展，讓消費(fèi)者愿意去購買電動(dòng)汽車；甚至在電池不能繼續(xù)服役于電動(dòng)汽車時(shí)，仍然能根據(jù)實(shí)際存在的準(zhǔn)確容量評(píng)估有效的服役于儲(chǔ)能等梯次利用場景中。

陳晟（ADI中國汽車電子事業(yè)部 資深戰(zhàn)略與業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理）

2   智能座艙汽車音頻總線

在汽車座艙電子市場，隨著汽車制造商努力實(shí)現(xiàn)車輛差異化以區(qū)別于競爭對(duì)手，一個(gè)越來越明顯的趨勢是音頻、語音和聲學(xué)相關(guān)應(yīng)用正在迅速擴(kuò)張。車用音頻正從過去單純的娛樂系統(tǒng)，向信號(hào)輸入、觸發(fā)、處理與反饋的方向發(fā)展，并開始與汽車駕駛緊密結(jié)合，其對(duì)駕駛體驗(yàn)和個(gè)人與車輛交互水平的期望也在大幅提高。

不管如何，有一種趨勢是確定的，那就是汽車上的音頻設(shè)備將越來越多，音頻質(zhì)量將越來越好。而幾乎所有新興應(yīng)用都需要多個(gè)聲學(xué)傳感器（如麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列）來實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)級(jí)性能，因此需要一種簡單但經(jīng)濟(jì)高效的互連技術(shù)來確保系統(tǒng)總成本最小化。長久以來，缺乏麥克風(fēng)優(yōu)化的互連技術(shù)一直是汽車制造商的一大痛點(diǎn)，每個(gè)麥克風(fēng)都需要使用昂貴笨重的屏蔽模擬電纜直連到處理單元。這些增加的成本（主要是實(shí)際的布線，其次是重量增加和燃油效率降低方面），在許多情況下阻礙了這些應(yīng)用的廣泛采用，或者至少是將其限制在高端市場。要協(xié)調(diào)所有這些音頻設(shè)備，并傳輸高質(zhì)量的音頻信號(hào)，連接技術(shù)的最新進(jìn)展有望推動(dòng)變革性應(yīng)用在新世代車輛信息娛樂系統(tǒng)中迅速得到采用，車用音頻總線變得不可或缺。

ADI A2B（汽車音頻總線）技術(shù)便是專門用來簡化新興汽車麥克風(fēng)和傳感器密集型應(yīng)用的連接挑戰(zhàn)，它可提供高保真音頻，并使音頻布線重量減少75%，從而提高燃油效率。另外，A2B收發(fā)器在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、I2C控制、低速GPIO、時(shí)鐘信號(hào)以及幻象供電，這也可以降低系統(tǒng)總BOM成本。

A2B除了讓布線更簡單，其實(shí)還有更多的創(chuàng)新應(yīng)用，比如更適應(yīng)高級(jí)音頻算法。因?yàn)橐纛l節(jié)點(diǎn)有固定的延遲，可憑借DSP算法確保車內(nèi)不同位置的音區(qū)獨(dú)立性，以及實(shí)現(xiàn)回聲消除、配合麥克風(fēng)和功放進(jìn)行ANC主動(dòng)降噪、配合支持A2B接口的加速度傳感器進(jìn)行RNC路噪消除等功能。

系統(tǒng)級(jí)診斷也是A2B的一大亮點(diǎn)。所有A2B節(jié)點(diǎn)都能夠識(shí)別多種故障狀況，其中包括斷路、線束反接或線束短路至電源或地等。在出現(xiàn)斷路、線束短路或線束反接等故障時(shí)，故障上游的A2B節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作，從而保證系統(tǒng)完整性。診斷功能還提供高效隔離系統(tǒng)級(jí)故障的能力，有助于后續(xù)維修。

從實(shí)現(xiàn)角度看，A2B是單個(gè)主器件、多個(gè)子節(jié)點(diǎn)（最多10個(gè)）的串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前全面量產(chǎn)的第三代A2B收發(fā)器系列有五個(gè)成員，全部都提供汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子溫度范圍。全功能AD2428W與四款功能減少、成本更低的衍生器件—AD2429W、AD2427W、AD2426W和AD2420W——構(gòu)成ADI公司最新的引腳兼容增強(qiáng)型A2B收發(fā)器系列。

AD242x 系列支持通過菊花鏈將單個(gè)主器件和最多10個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接起來，總線總距離可達(dá)40米，各節(jié)點(diǎn)之間距離最長可達(dá)15米。相比于現(xiàn)有環(huán)形/并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A2B的菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要優(yōu)勢，對(duì)整體系統(tǒng)的完整性和魯棒性很有利。如果A2B菊花鏈的一個(gè)連接受到影響，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)崩潰。只有故障連接下游的節(jié)點(diǎn)會(huì)受影響。A2B的嵌入式診斷可以確定故障的起因，發(fā)出中斷信號(hào)，并啟動(dòng)糾正措施。

與現(xiàn)有數(shù)字總線架構(gòu)相比，A2B拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為高效。啟動(dòng)簡單的總線初始化流程之后，無需更多處理器干預(yù)，總線即可正常運(yùn)行。A2B的獨(dú)特架構(gòu)帶來的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)延遲是完全確定的（小于50 μs），并且延遲與音頻節(jié)點(diǎn)在A2B總線上的位置無關(guān)。所有A2B收發(fā)器都能在一條非屏蔽雙絞線上傳輸音頻、控制、時(shí)鐘和供電信號(hào)。這可降低系統(tǒng)總成本。A2B技術(shù)提供的總計(jì)50 Mbps總線帶寬最多可支持使用標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率（44.1 kHz、48 kHz等）和位寬（16、24位）的至多51個(gè)上行和下行音頻通道。這可為廣泛的音頻I/O設(shè)備提供相當(dāng)大的靈活性和連接能力。在音頻ECU之間維持全數(shù)字音頻信號(hào)鏈可保證最高質(zhì)量的音頻品質(zhì)，不會(huì)因ADC/DAC轉(zhuǎn)換造成音頻性能下降。

最近宣布的第4代A²B收發(fā)器AD243x是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展，提高了關(guān)鍵功能參數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到17，總線供電功率增加到50 W），同時(shí)添加了額外的SPI控制通道(10 Mbps)，為智能A2B節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程編程提供了高效的軟件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常適合于新應(yīng)用，如超高級(jí)麥克風(fēng)架構(gòu)中裝有LED的麥克風(fēng)節(jié)點(diǎn)。

實(shí)際上，A²B技術(shù)的商業(yè)化已經(jīng)使得汽車市場的許多應(yīng)用成為可能，其中既有新應(yīng)用，也有以前難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，汽車音頻解決方案的領(lǐng)先提供商Harman International開發(fā)了一系列數(shù)字麥克風(fēng)和傳感器模塊，其利用A2B系統(tǒng)來賦能各種汽車應(yīng)用；中國汽車制造商比亞迪同樣宣布采用ADI公司的A2B技術(shù)及SHARC數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，打造能效更高、更節(jié)能環(huán)保的汽車平臺(tái)，提升駕乘人員的沉浸式車載音頻信息娛樂體驗(yàn); 現(xiàn)代汽車公司計(jì)劃推出汽車行業(yè)采用A2B技術(shù)的全數(shù)字路噪降噪系統(tǒng)，并計(jì)劃在其汽車產(chǎn)品的基礎(chǔ)音頻連接和信息娛樂系統(tǒng)中更廣泛地采用A2B技術(shù)等……目前，A2B音頻總線已成功與全球 90% 的汽車制造商合作實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的汽車信息娛樂體驗(yàn)。