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汽车锂电池管理系统的设计挑战与解决方案
 

【作者: ADI】2012年08月07日 星期二

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通常,轻混/中混型混合动力汽车所需的电池电压在60 V至200 V之间。镍氢电池在这些电压和能量级别上有一定的优势。然而,强混合/插电式混合动力或纯电动汽车通常需要300 V以上的电池组,锂电池正是理想之选。而且提供同样动力的情况下,锂电池的体积和重量要比其它类型的充电电池小很多。正如亨利•福特于1923年所谈到的“即使节省几磅的汽车重量……也意味着它们能开得更快,并且消耗更少的燃料。”


据IHS公司的充电电池专题报告,由于价格下滑,以及来自电动和混合动力汽车市场的需求推动,锂离子将成为全球最主要的充电电池技术,2010-2020年营业收入将锐增350%,达到537亿美元。


为了最大限度地利用锂电池的电能,充分保证使用寿命,并且最重要的是达到汽车应用环境可接受的安全水准,必须引入复杂的电池监控电路,即电池管理系统(BMS)。这些电子电路能够监控电池单元的电压与温度,监控由多个电池单元串联而成的电池组的电压与电流,平衡电池单元之间的电压,并跨越势垒传输资料信号,其目的在于确保电池在驱动和充电时高效、安全地工作,并能延长电池的使用时间。


系统需求与设计挑战

随着汽车制造厂商对下一代电池管理和充电系统要求的确定,半导体公司正在推进预期能够满足这些要求的产品开发进程。尽管电池组尺寸不同,但各种锂电池动力系统在以下几方面具有类似的要求:


  • (1)具备监控功能;


  • (2)在苛刻的环境下能够保持良好的性能;


  • (3)提供可靠、安全的电量管理;


  • (4)降低系统的整体成本。



在高共模电压和高达200A开关瞬变的情况下,BMS必须对不同的电池单元进行精确的测量。系统的精度必须达到mV级,采样必须在严格的延迟时间范围内保持同步。采样速度和精度都会影响整个系统的效率。


可靠性是关键要求之一。系统必须提供安全机制,以便检测电池单元、电缆、监控电路和通信汇流排等的故障。一般使用主监控器和备用监控器来给系统提供冗余性能。此外,资料保护机制也有助于进行错误检测。


系统还要求BMS具备较低功耗以减少对电池电量的消耗,同时避免加剧电池不平衡,所以主监控器IC、备用监控器IC和隔离电路的功耗应尽可能低。



图一 : 典型的锂电池监控系统方框图
图一 : 典型的锂电池监控系统方框图

典型的锂电池监控系统

图1所示即为一个典型的锂电池监控解决方案系统实例,采用了ADI公司的晶片方案。其中AD7280A为主监控器IC,测量每个电池单元的电压和温度,同时检测电池单元间可能出现的不平衡状态。而AD8280为ADI独家提供的安全监视器IC,通过基于比较器的解决方案产生可能的报警信号,同样以菊轮链的模式回传,形成一种纯硬体的高可靠性“二次保护体系” 。电流则通过精密转换处理器ADuC703x进行测量。集成PGA、ADC和处理器内核的ADuC703x为用户提供了一个经济、高效的电池组电流测量方案,可实现超高动态范围和精度的电流测量。



图二 : 高集成度锂电池监控器AD7280A功能框图
图二 : 高集成度锂电池监控器AD7280A功能框图

AD7280A:高集成度锂电池监控器

如图2所示,ADI公司的主监控IC产品AD7280A内置对混合动力电动汽车、备用电池应用和电动工具所用叠层锂离子电池进行通用监控所需的全部功能。


AD7280A能够对6个通道的电压和温度进行监测,典型精度达±1.6 mV(典型值)。多个AD7280A可采用菊轮链连接,单个电路板最多可监控48个电池单元。该IC提供业界最快的转换速度和最佳资料保护。每通道转换时间仅1 μs,这意味着多个通道的资料转换几乎是同步的。完成48个电池单元的转换和资料读取还不到2 ms。 IC与处理器之间的读、写通信可在CRC的保护下进行。此外,IC还提供被动式电池单元平衡控制功能。通常,转换模式下典型功耗小于6mA;断电模式下功耗小于1.8uA。


专利的菊轮链技术使硬体资源得到节约

利用菊花连结口最多可将8个AD7280A器件堆叠起来,无需对每个器件分别进行隔离就可以电气连接到电池管理晶片,并且只用一个MCU就能监控48个电池单元(Cell)。


菊花连结口的特性之一是可以通过单个转换开始命令启动菊轮链堆叠中的所有器件的转换。转换开始命令沿着菊轮链向上传递,从主器件依次传递到各AD7280A。



图三 : 菊花链技术使得BMS硬件资源得到节约
图三 : 菊花链技术使得BMS硬件资源得到节约

如图3所​​示,对于叠层电池模组的监测,如采用AD7280A构成菊轮链结构的解决方案,与传统方案相比,仅需一组隔离通道和一颗微控制器。大大简化了设计。图中左侧所示为传统的解决方案,需要使用多路控制器,占用大量的隔离通道。右侧为采用AD7280A的菊轮链解决方案,仅需为最底部的器件设计一组隔离器通道。


AD7280A采用ADI专利技术实现叠层电池应用所需的菊轮链工作模式,初始化的过程赋予链路中的晶片以不同的位址,其中一颗晶片被选为主机,直接与DSP或微控制器通信,主机获取通信信号后,将信号通过链路逐级传播,与传统技术相比,这项技术使得硬体资源得到大大节约。


唯一有硬体重定的方案

AD7280A提供两种关断选项:完全关断(硬体)和软体关断。这是目前业内唯一有硬体重定的方案,也是ADI BMS方案的一大优势特性。如果方案不能硬体重定,则无法满足失效模式分析。


完全关断(硬体)拉低PD引脚(如上图2所示)可以将AD7280A置于完全关断模式,此时最大功耗仅5uA。 PD引脚的下降沿关断所有类比和数位电路。


AD7280A的PD引脚上有一个数位延迟滤波器,防止硬体PD引脚上的杂讯或毛刺引起关断。要启动硬体关断,PD引脚应保持低电平约130­us。同样,要使AD7280A退出关断模式,PD引脚也应保持高电平约130u­s。初始上电时,数字延迟滤波器不起作用。 PD上升沿后约5m­s时,AD7280A接受上电请求。


“二次硬体保护”为安全加码

不绝于耳的手机、笔记型电脑锂电池爆炸事件令人记忆犹新,不久前深圳5.26交通事故电动计程车的起火事件更是加深了人们对电动汽车电池安全性如何保证的担忧!


ADI公司之前就提出了的“二次硬体保护”理念,旨在给电动汽车电池加上双保险,并推出相应的一颗备用监控功能IC——AD8280,在监控系统环路的其它电路出现问题时,它可以独立报告电池故障。 AD7280A与AD8280结合使用有助于实现高级别的系统级安全目标。


AD8280也是集成式解决方案,符合 AEC-Q100和 EMI (电磁干扰) 标准,非常适用于汽车应用,可监控六个电池单元的电压和两路温度输入。该器件由电池组供电,可以针对过压、过温或欠压这三种状况中的任何一种提供共用式或单独式报警。


AD8280可根据命令进行广泛的自测试,能够促进提升设计师在满足像 ISO26262 和IEC61508 这类功能性安全需求方面的能力。另外,该器件可支援大范围连续的行程点设置,为适配各种不同材料的锂电池提供了灵活度;同时也具备菊轮链通信选项,使得对高压单元中隔离器的需求减至最少;提供了低功耗模式,将不工作时的电池漏电减至最低。



图四 : 全隔离式锂离子电池监控和保护系统实验室电路图。
图四 : 全隔离式锂离子电池监控和保护系统实验室电路图。

实验室电路:全隔离式锂离子电池监控与保护系统

ADI公司的实验室电路由ADI工程师设计构建,每个电路的设计和构建都严格遵循标准工程规范,电路的功能和性能都在实验室环境中以室温条件进行了测试和验证。这些实验室电路解决了多种常见的类比、RF/IF和混合信号设计挑战并配有完备的文档,易于学习、理解和集成。


图4即为ADI推出的一个“全隔离式锂离子电池监控和保护系统”实验室电路(CN0235:www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0235/vc.html)。电路中的6通道AD7280A器件充当主监控器,向系统演示平台(SDP-B)评估板提供精确的电压测量资料,而6通道 AD8280器件充当副监控器和保护系统。两个器件均采用8 V至30 V的单电源宽工作电压范围,工作温度范围为–40°C至+105°C工业温度范围。


AD7280A内置一个±3 ppm基准电压源,提供±1.6 mV的电池电压测量精度。 ADC解析度为12位元,转换48个单元只需7 μs时间。 AD7280A具有电池平衡介面输出,用来控制外部FET电晶体,允许各电池放电,并强行使堆叠中的所有电池单元具有相同电压。


AD8280独立于主监控器工作,并提供报警功能,可指示超容差条件。该器件内置自用基准电压源和LDO,二者均完全采用电池组供电。基准电压源与外部电阻分压器一起,用来设置过压/欠压的跳变点。每个电池通道都含有可程式设计去毛刺(D/G)电路,以免暂态输入电平引发报警。


AD7280A和AD8280位于电池管理系统(BMS)的高压端,具有一个菊花连结口,最多能将8个AD7280A和8个AD8280堆叠在一起,以监控48个锂离子电池单元的电压。堆叠中的相邻AD7280A和AD8280可以直接通信,向上向下传递资料,而无需隔离。


堆叠底部的主器件使用SPI介面和GPIO与SDP-B评估板通信,只有在这个地方才需要高压电流隔离,以便保护SDP-B板的低压端。数位隔离器ADuM1400、ADuM1401和集成DC-DC转换器的隔离器ADuM5404共同提供所需的11通道隔离,构成一种紧凑、高性价比的解决方案。 ADuM5404还可为较低AD7280A的VDRIVE输入提供5 V隔离输出,并为ADuM1400和ADuM1401隔离器提供VDD2电源电压。


ADI还针对汽车应用推出了电池管理单元(BMU)演示板和评估软体(如图5),可说明客户进行系统内的评估。该演示板也是基于主监控器AD7280A和备用监控器AD8280以及一系列数位隔离器。



图五:  ADI提供的锂电池管理单元(BMU)演示板,可说明客户进行系统内评估。
图五:  ADI提供的锂电池管理单元(BMU)演示板,可说明客户进行系统内评估。

小结:将不同的优势技术整合在一起

菊轮链、硬体重定、二次保护这3个关键字可是说概括了ADI电动汽车锂离子电池管理系统(BMS)方案的最大特色。而根据实际市场需求整合各种技术优势而开发出来的BMS实验室电路和整体解决方案Demo系统是ADI公司不同于其他厂商的最大优势。


“现在汽车电子化趋势越来越明显,我们的竞争对手和整个行业都非常清楚地看到了这一点,ADI的优势是可以把不同的技术根据客户的需求整合在一起,努力做成整体解决方案。”ADI公司大中华区汽车电子高级经理李防震指出,“在BMS这方面,我们把不同的转换器技术和放大器技术集中在一起,做成电池管理系统。另外,我们和客户之间紧密合作,第一时间知道客户的需求是什么,在我们开发产品的时候会更有针对性。”


  • (本文由ADI美商亚德诺提供)


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