如何优化电动汽车插电式混合动力汽车和油电混合动力汽车-Intersil.PDF

如何优化电动汽车、插电式混合动力汽车和油电混合动力汽车 的电池管理系统精度 汽车电池管理系统（BMS）技术过去十年经历了长足的发展。如今，有几项多电池单元均衡（MCB ）IC 特性在满足电动汽车（EV ）、插电式混合动力汽车（PHEV）和油电混合动力汽车（HEV）电池系统的严 格安全、可靠性及性能要求方面发挥着关键作用。IC 制造商的下一步是通过集成诸如内置电池单元均衡 和电流测量等关键特性来进一步实现功能优化。 BMS IC 的关键功能之一是准确测量每个电池单元的电压，这会直接影响汽车的行驶里程及其电池的总体 预期寿命。电池单元测量精度对具有平坦放电曲线的电池类型特别重要。这方面的一个例子是磷酸铁锂 电池，这种电池由于其低内阻而对较小的电池组有利。这些电池类型使系统工程师有必要检测电池单元 电压在电池放电时的微小变化。除系统设计挑战外还有一个事实，就是检测这些变化已成为准确计算充 电状态（SOC ）和健康状态（SOH ）的关键。 本文考察了电池系统设计工程师对BMS IC 选择必须做的决策，以确保在整个工作环境和在汽车使用寿命 中电池单元测量的精度。测量这些微小的电池单元电压变化，需要精密地结合使用模拟前端（AFE ）、准 确和稳定的电压基准源和精密模/ 数转换器（ADC ），这对MCB IC 设计工程师来说是个严峻的设计挑战。 对于汽车生产商，成功的BMS 实现需要在系统设计伊始精心选择MCB IC，这要求理解各家IC 供应商产 品在测量精度和稳定性方面的差异。 多电池单元均衡IC 的构成要素 任何MCB IC 的核心都是一个精密 （电压）基准源。所用基准源拓扑的类型可能不同，但最常使用的类型 是带隙，这是由于其在精度与裸片面积之间取得了最佳平衡。例如，ISL78600 多单元锂离子电池管理器 使用一种精密带隙基准源设计，实践证明其非常可靠，并且非常适用于要求苛刻的汽车应用。该技术稳 定、成熟、特征性能优秀，并在多年使用中基于大量真实性能数据不断优化。其卓越的性能特征使该精 密带隙基准源在MCB IC 的使用寿命期间非常稳定并表现出线性关系。这是设计工程师在计算汽车电池寿 命时的一个关键考虑事项，它直接影响汽车生产商的保修与拥有成本 （cost of ownership ）度量标准。 除精密基准源外，保证测量精度的另一个关键功能块是ADC 。IC 设计工程师必须决定使用何种类型的 ADC 作为主电池单元电压测量块。最普遍和常用的两种ADC 类型是逐次逼近寄存器（SAR ）和delta- sigma 。SAR 具有最快采样速率，并提供高速电压转换和卓越的抗噪性能，但常常需要较大的裸片面积。 SAR ADC 还提供数据采集速度、精度、稳健性和抗电磁干扰（EMI）效应的最佳组合。 另一方面，IC 设计工程师喜欢使用delta-sigma ADC ，因为它们通常需要较小的裸片面积，且相对易于实 现。但其速度一般缓慢，因为它们使用抽取滤波器，这降低了采样速率和数据采集速度。为克服这个问 题，设计工程师使用基于交错 （interleaved）配置的两个或更多delta-sigma ADC 。实施delta-sigma ADC 时的另一考虑事项是其在受到电磁干扰时的易饱和性，这会造成电池单元电压误报。 各个电池单元接口均由AFE 管理，AFE 包含输入缓冲器、电平转换器和故障检测电路。AFE 对处理当电池 单元初始连接至BMS 时产生的“热插拔”瞬态现象具有关键作用。ISL78600 设计采用的是全差分AFE ，这 可支持负输入电压测量而不影响相邻电池单元测量。这在需要“母线” （bus bar）的系统中是很有优势 1 Intersil 的。为了改善瞬态条件下的稳健性，给电池单元电压输入添加一个外置低通滤波器。对输入滤波要求进 行优化，以提供最高的抗电磁干扰和抗热插拔瞬变性能，同时又不会影响速度或精度。相比之下，使用 双极而非电荷耦合AFE 的IC，会使其精度受到针对输入滤波器而选择的元件值的不利影响。图1 显示了 ISL78600 的三个功能块及其互连的简化示意图。 图1. ISL78600 多单元锂离子电池管理器的简化框图 英文 中文翻译 Cell Input Voltages 电池单元输入电压 Input buffer/lev