詳解電動(dòng)汽車中的電池組監(jiān)控IC

　　圖3，本電路解決了共模電壓的測(cè)量問題，方法是通過一個(gè)小型隔離變壓器，傳送電池芯電壓與二極管壓降。

　　電池組監(jiān)控電路的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是精度?，F(xiàn)代鋰離子電池芯有一個(gè)平坦的放電曲線。德州儀器公司功率營銷經(jīng)理Matthew Borne稱：“在對(duì)電池芯的充電狀態(tài)估測(cè)時(shí)，5 mV的測(cè)量誤差代表10%的錯(cuò)誤?！北仨毻Ｖ闺姵氐姆烹?，否則會(huì)損壞電池，因此較高的精度直接對(duì)應(yīng)著更大的范圍；一個(gè)4V電池芯上的8 mV準(zhǔn)確度對(duì)應(yīng)0.2%的精度。要提供0.2%的系統(tǒng)精度，電壓基準(zhǔn)在時(shí)間和溫度上的精度都必須為約0.1%（參考文獻(xiàn)2）。

　　一旦獲得了足夠的精度，就面臨著另一個(gè)問題：測(cè)量一只可能與十幾只其它電池芯串聯(lián)的4V電池芯。如果打算用衰減器來測(cè)量電池芯電壓，就可能需要精密電阻分壓器（見附文2“共模問題”）。薄膜電阻并不夠精確，不能隨溫度而保持足夠緊密的跟蹤性。

　　電容可以充到電池芯電壓，然后將它們切換到一個(gè)以機(jī)架為基準(zhǔn)的電勢(shì)。這種所謂的飛電容（flying-capacitor）方法可以工作，但有缺點(diǎn)。例如，Maxim Integrated Products公司的汽車與工業(yè)電池產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理Stephen G LaJeunesse認(rèn)為，電容會(huì)開始在不同電勢(shì)的電池芯之間傳送失配的電荷。他說：“它們還需要大電壓開關(guān)，而這些開關(guān)有自身的損耗，”從而降低了電路的效率。

　　Linear Technology公司資深科學(xué)家Jim Williams開發(fā)了一種新穎電路，采用小型廉價(jià)變壓器查詢每只電池芯的電壓（圖3與參考文獻(xiàn)3）。電路工作情況良好，但變壓器增加了成本，也會(huì)由于震動(dòng)而出現(xiàn)故障。

　　電池組監(jiān)控IC的制造商避免共模問題的方法是將芯片浮接在電池組的電壓上。它們將模擬測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后將這些數(shù)字位下送給其它芯片的daisy鏈。這個(gè)步驟可去掉系統(tǒng)中的電阻衰減器，并且測(cè)量中不會(huì)有任何的共模衰減誤差（圖4）。

　　將測(cè)量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個(gè)隔離絕緣器，而不是多個(gè)。幾十年前，工程師們要通過絕緣屏障來傳送模擬電壓。電池組監(jiān)控芯片結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的趨勢(shì)。測(cè)量模擬電壓，然后將該電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位。將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳送過一個(gè)隔直屏障有很多種方法（參考文獻(xiàn)4）?？梢圆捎霉怦?、隔直電容、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過隔離屏障發(fā)送模擬電平，則可以采用delta-sigma調(diào)制器，如Avago的產(chǎn)品。

　　一旦確保了精確測(cè)量，并解決了共模問題，還必須確認(rèn)滿足了設(shè)計(jì)的功率要求。電池組本身能為大多數(shù)電池監(jiān)控IC提供電源，而這意味著會(huì)耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個(gè)芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會(huì)超過周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監(jiān)控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監(jiān)控電路就不會(huì)消耗動(dòng)力電池的能量。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，必須要在某個(gè)通信鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)。有些制造商會(huì)將一種簡單的局域串行協(xié)議（如串行外設(shè)接口SPI）轉(zhuǎn)換為一種高級(jí)協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）總線。CAN通信在汽車中的應(yīng)用已有幾十年時(shí)間，證明了其可靠性。

　　這些對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的考慮還只是基本需求。為了滿足汽車制造商對(duì)可靠性和責(zé)任的關(guān)切，我們必須測(cè)量電池組中的每個(gè)芯。為了盡量減少所需要的測(cè)量轉(zhuǎn)換器數(shù)量，大多數(shù)IC制造商都在自己的電池組監(jiān)控芯片中采用了高壓、有故障保護(hù)的多工器，使芯片能夠精確地測(cè)量4只 12只電池芯，然后將測(cè)量結(jié)果通過一個(gè)串行總線，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。

　　當(dāng)裝配工人或機(jī)器采用熱插拔更換方法，將測(cè)量電路連接到電池上時(shí)，就產(chǎn)生了另一個(gè)重要的可靠性問題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對(duì)任意電池芯檢測(cè)線的隨意連接會(huì)向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認(rèn)為芯片必須有加固的節(jié)點(diǎn)，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說：“DMOS和CMOS已經(jīng)做了這個(gè)工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內(nèi)部如何短接晶體管阱和柵?！彼嬲]IC設(shè)計(jì)者，要用導(dǎo)環(huán)來解決熱載流子的注入問題。

　　大多數(shù)制造商都同時(shí)提供外部和片上的溫度檢測(cè)，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠測(cè)量出環(huán)境溫度和電池芯溫度。然后，設(shè)計(jì)者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數(shù)?？煽啃詥栴}也使得汽車制造商提出了對(duì)全冗余測(cè)量系統(tǒng)的要求（圖6與參考文獻(xiàn)5）。在這些結(jié)構(gòu)中，一組daisy鏈接的芯片做測(cè)量，另一組芯片則用設(shè)定了最大最小極限值的比較器，監(jiān)控測(cè)量情況。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無源的，原因是：如果一只芯片出現(xiàn)電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過。大多數(shù)的電池組測(cè)量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統(tǒng)的BMU（電池管理單元）微控制器查詢芯片，以確保芯片的上電和工作。

　　除了這種系統(tǒng)級(jí)冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能（參考文獻(xiàn)6）。

　　Intersil公司汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kenneth Lenk表示這類芯片包含了多種電壓基準(zhǔn)。他補(bǔ)充說，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。

　　很多制造商都強(qiáng)調(diào)說，他們的器件擁有無源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時(shí)也能繼續(xù)工作。Analog Devices公司精確放大器系列產(chǎn)品經(jīng)理Sam Weinstein稱，制造商不僅要建立內(nèi)部的冗余，還要確保冗余安全芯片的運(yùn)行。他指出，BIST（內(nèi)置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業(yè)要求的基礎(chǔ)。

　　一個(gè)工程化委員會(huì)正在將汽車電池組系統(tǒng)的失效保護(hù)以及冗余功能做到ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）26262標(biāo)準(zhǔn)中，ISO組織預(yù)計(jì)將在今年發(fā)布該標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后，就能為他們提供電動(dòng)汽車中模擬、數(shù)字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導(dǎo)體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務(wù)關(guān)鍵的先進(jìn)傳動(dòng)模塊的模擬與數(shù)字硬件。

　　電池環(huán)境

　　除了汽車電池組的測(cè)量以外，還必須使系統(tǒng)能在現(xiàn)代汽車所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下生存。所有這些元件都會(huì)遭受到震動(dòng)與加速度。例如在鐵道上通過鎖鏈懸掛運(yùn)輸汽車時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大加速度，表面安裝芯片和無源元件都要防震。

　　系統(tǒng)還必須能承受較消費(fèi)電子更寬的溫度范圍。例如，電池芯無法承受+125°C的溫度。并且，大多數(shù)芯片可以工作到+85°C的溫度，Maxim和Analog Devices公司的芯片可工作到+105°C。Intersil和其它制造商提供能在汽車制造商指定溫度下工作的芯片。低溫也會(huì)產(chǎn)生問題。晶體管基射結(jié)電壓和互導(dǎo)會(huì)隨溫度的降低而上升，從而造成放大器的振蕩。

　　電池組測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能承受EOS（電氣過載）。例如，當(dāng)某個(gè)技工斷開一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)中引擎的電池電纜，以確定交流發(fā)電機(jī)是否在工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此時(shí)，交流發(fā)電機(jī)會(huì)向電氣系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)100V脈沖。盡管電動(dòng)汽車電池組芯片可能不會(huì)遭受到這種壓力，但母線連接的電池芯則可能在大電流流過時(shí)遭到損壞，因?yàn)樵陔姵仉妷荷袭a(chǎn)生了一個(gè)大的過沖。

　　EMI會(huì)干擾測(cè)量，是電動(dòng)汽車中的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一（圖7）。所有走線和高阻節(jié)點(diǎn)都會(huì)受EMI影響，EMI可能破壞對(duì)電池芯電壓的測(cè)量。據(jù)Linear Technology公司應(yīng)用經(jīng)理Tim Regan稱，交流紋波可能到處都是。這種紋波來源于轉(zhuǎn)換器的斬波頻率，并加到電機(jī)的電噪聲上。

　　Regan補(bǔ)充說：“基本的去耦方法就很有效?！辈贿^，去耦只是一個(gè)開始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷電路板）布局，以及屏蔽等。

　　圖7，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可向測(cè)量系統(tǒng)注