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探秘電動車電池背后的先進技術

2022-07-12 13:15:20 來源:Greg Zimmer,ADI電池管理系統部營銷經理

幾十年來,汽車行業一直在慢慢整合,而技術和品牌差異化卻在減少。動力總成是將能量轉化為運動的系統,可以說是汽車制造商最寶貴的知識產權,經歷了一個多世紀的完善改進。在這種情況下,造車新勢力的出現就顯得令人矚目,因為意味著動力總成技術正在經受挑戰。

一輛典型的內燃機(ICE)汽車有一個15加侖的油箱,相當于近500千瓦時的電能。15加侖的汽油可轉化為內燃機汽車375英里的續航里程;500千瓦時的電能可轉化為電動汽車1450英里的續航里程。這種巨大的能效優勢是電動汽車最終取勝的原因,但如今這一代電動汽車面臨的最大問題,是其電池容量比不上內燃機汽車的續航里程。


挑戰是什么?

電動汽車的電池包由數百個串聯工作的電芯組成,產生400 V到800 V的電壓。過度充電和過度放電會損壞電池或使其過早老化,從而降低容量或壽命,最終導致電池故障。電池管理系統的主要功能是確定和控制構成電池報的每個電芯的荷電狀態和健康狀態。任何鋰離子電池充電至100%荷電狀態或放電至0%荷電狀態都會降低其容量。確定荷電狀態需要測量電池電壓和溫度,這些測量的準確性直接決定了荷電狀態管理的好壞??傊?,電池管理系統的電子器件是盡可能提高電動汽車電池系統的運行里程、壽命、可靠性和安全性的關鍵。

 

注:要想準確、連續地測量緊密結合在一起的一長串高壓電池串中的所有電芯,絕非易事。測量需要不受逆變器、執行器、開關、繼電器等產生的高電氣噪聲的影響。由于電池包的高電壓,電子器件本身也需要進行電氣隔離。最后,電子元件需要在磨損、氣候條件、車輛使用年限和行駛里程等因素的影響下運行數年。


電池管理系統的核心

作為集成電路(IC)和解決方案的領先供應商,ADI公司的電池管理產品專注于幾個關鍵方面:單個電芯測量(電池監控器)、整體電池包測量(電池包監控器)、互連設備的通信網絡(通過導線或無線網絡),以及控制這些設備的軟件。這些電子裝置的目標是讓所有電芯安全地充電到盡可能高的容量,確保整個電池包獲得最大的可儲存能量,充分提高車輛的續航能力。

 

可以說,最關鍵的設備是高電壓電池監控器IC。電池監控器IC可測量串聯的電芯的電壓和溫度,通常每個監控器監控12個電芯。電池電壓和溫度是關鍵參數;測量精度和同步性是關鍵特性。

 

綜合這些參數,電池管理系統可以在最大的安全工作范圍內操作電池,而不會給電池帶來壓力。因此,這些電池監控器的性能對于電池管理系統充分優化車輛續航里程、成本、重量和可靠性至關重要。測量誤差會導致電池管理效率降低,而ADI公司的電池管理系統產品能夠提供精確的測量能力。

 

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密電池監控器是實現安全、性能和成本效益的較理想功能組合。該系列由三個基本器件組成,以每個器件監控的電池數量來區分:ADBMS6816監控六個電芯,ADBMS6817監控八個串聯的電芯,ADBMS6815監控12個串聯的電芯。三種不同的電芯監控器數量可以滿足不同的電池配置,適用于廣泛的電池包配置。

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圖1.多電芯監控器的簡化說明

 

此外,這些部件可以通過混合和匹配的方式進行組合,組成合適數量的電池監控通道。由于工作環境包括極端的電氣噪聲,因此還包含可調節的低通濾波,以減少這些噪聲,確保實現高保真的測量。


ADI電池管理系統通信技術

ADBMS6815系列電池監控器采用菊花鏈式互連設計,使用isoSPI?雙線通信接口。這是一個穩定可靠、對電磁干擾不敏感、具有電氣隔離的網絡,能夠從電池管理系統微控制器同步操作、輪詢和控制ADI公司的電池管理系統設備。因此通過ADI電池包監控器件,可以同步測量電池包中的所有電芯以及電池包電流和電池包電壓。這種菊花鏈可以通過一條通往每個設備的路徑進行操作,也可以通過環路配置中的雙路徑進行操作。該環路支持在電線或連接器發生故障的情況下,訪問所有的電芯監控數據。

 

ADBMS6815系列還支持在無線電池管理系統(wBMS)中運行,其中有線菊花鏈被電池監控器的2.4 GHz無線電池管理系統節點所取代。


安全

在電池管理系統的所有目標中,確保電池包的安全是最重要的。識別和補救集成電路內的潛在故障需要內置自檢能力和冗余。這些功能包括冗余測量路徑、改進輸入信號之間的同步、自檢能力等等。

 

ADBMS6815系列零件的設計支持ISO 26262 ASIL-D標準。

 

注:ISO 26262是一個普遍采用的汽車功能安全標準,旨在確保汽車電氣設備和系統在整個生命周期內的安全。ASIL-D是本ISO標準中的一種風險分類,代表系統中最高的汽車安全級別。ADI部件的設計和認證旨在支持ASIL-D,確保使用ADI部件的汽車制造商能夠實現這一關鍵里程碑。

 

此外,通過滿足ISO 26262標準,設計人員可以滿足其它功能安全標準,如IEC 61508,從而也滿足非自動應用的標準。


低功耗電芯監控

除了確保為車輛提供穩定、可預測、可靠的能源外,電池管理系統還必須確保電芯本身始終是安全的。雖然這種情況比較罕見,但電芯的缺陷會導致電池隨著時間的推移而縮短壽命,并導致熱失控,造成災難性的結果。為此,電池管理系統需要對可能預示任何潛在問題的情況進行監控。

 

電芯并不會因為不使用而處于惰性狀態。作為電化學設備,即使在靜止狀態下,它們也會隨著時間而變化。換句話說,即使在車輛不運行的情況下,電池的失效狀態也在持續發展。為了持續監控電池包內的電芯(即使車輛處于熄火狀態),ADI公司開發了低功率電池監控(LPCM)技術。LPCM是一種先進的電芯監控功能,可定期自動檢查電芯的關鍵參數。通過LPCM功能,電池監控器會提醒電池管理系統喚醒,并在檢測到任何潛在問題時進行適當的檢查。如果電池監控器未能提供定期確認信號,電池管理系統也會收到警報。


靈活性、功能和成本效益

ADBMS6815系列提供了較理想的功能組合,可滿足廣泛的要求,并對上述安全性、可靠性和性能提供一些補充作用。這些器件使用相同的封裝和引腳,允許設計人員以不同的通道數(每個器件監控6、8、12個單體電池)構建通用設計,通過不同的選項配置,滿足更多電池包或電池模組的配置需求。這些產品還包含通用的I/O,可以作為數字輸入、數字輸出或模擬輸入操作。當作為模擬輸入操作時,它們可以測量5 V以下的任何電壓,測量精度與原電池相同。此外,這些輔助測量,如溫度或電流測量,可與電芯測量同步,從而獲得更準確的荷電狀態。

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圖2.有線電池管理系統的概要

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圖3.wBMS用無線電取代了通信線路

 

計算這些I/O引腳也可以控制I2C或SPI子節點設備,實現更復雜的功能,比如增加多路復用器,來擴大模擬輸入或EEPROM,從而存儲校準信息。最后,這些產品還包含電池均衡能力,在任何電池上都能放出高達300mA的電流。這實現了系統均衡,保持電池包中所有電芯的荷電狀態相等。均衡過程可以設置為一個特定的時間段,并在達到預先編程的閾值時自動停止。這樣,即使在電芯監控器處于睡眠模式時,也能實現長時間的均衡。


一般特性

ADBMS6815(12通道)

ADBMS6817(8通道)

ADBMS6816(6通道)

■ 支持汽車安全完整性等級:D

■ 最大使用壽命總測量誤差:1.5 mV

■ 用于高壓電池包的可堆疊架構

■ 304 μs內可完成系統中所有電芯電壓測量

■ 具有可編程噪聲濾波器的16位ADC

■ 每通道300 mA的無源電池均衡,帶有可編程的PWM控制

■ 2 Mbps電隔離串行通信

■ 僅使用2根電線和電容器或變壓器

■ 可逆通信支持環形拓撲結構;即使通信路徑上有故障,也可以進行通信

■ 7個通用接口引腳可用作模擬或數字輸入或數字輸出;支持溫度傳感器,可配置為I2C或SPI主機

■ SLEEP模式電源電流:5.5 μA

■ 48引腳7 mm × 7 mm LQFP封裝


結論

未來30年內,世界將從內燃機轉向電動乘用車。汽油是一種來自有限資源的產品,其使用效率極低,因而勢必會推動這種轉變。地緣政治和環境問題只會加速這一趨勢。電動汽車是未來的趨勢,而電池管理系統技術是一個關鍵的推動因素。

 

領先的電池管理系統產品,如ADBMS6815系列,正在推動未來的發展。這些IC經認證符合ISO 26262 ASIL-D標準,其電芯電壓和溫度測量精度在業內屬領先水平。ADBMS6815系列采用經過道路驗證的多代電池監控IC,旨在超越汽車和工業應用的環境、可靠性和安全性要求。它們能夠有效滿足電動車隊和大型儲能系統不斷變化且具有挑戰性的要求。設計人員可以放心地選擇ADI公司產品,相信ADI市場領先技術可以提供當今出色的電池管理系統,并在不斷擴大創新基礎上,促進未來前沿系統的發展。

 

關于ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司,致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術,搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認識周圍的世界。 

作者簡介

Greg Zimmer是ADI公司電池管理系統部的營銷經理,在各種高性能信號調理IC的產品營銷方面擁有豐富的經驗。Greg擁有營銷、技術營銷、應用工程和模擬電路設計等方面的背景。Greg擁有加州大學伯克利分校電氣工程/計算機科學學士學位以及加州大學圣克魯茲分校經濟學學士學位。

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