電池堆棧監(jiān)控芯片架構(gòu)翻新汽車BMS設(shè)計(jì)更精簡

在半導(dǎo)體業(yè)者的努力下，新一代電池堆棧監(jiān)控芯片已可同時(shí)比較電池電壓與參考電壓，達(dá)到更精密且精準(zhǔn)的電壓檢測，以及可靠的電池狀態(tài)評估，并大幅降低目前汽車鋰電池管理系統(tǒng)(BMS)對軟件與高流量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的需求。

如果歐洲政府能邁向另一個(gè)成功，未來幾年內(nèi)我們將看見更多混合動(dòng)力車與純電動(dòng)車行駛于道路上;而由于目前汽車以鋰離子作為電池化學(xué)物質(zhì)的首選，鋰電池管理系統(tǒng)(BMS)勢必在將來迅速盛行。

在汽車領(lǐng)域中，許多新設(shè)計(jì)案件都有ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的影身影;從ISO2626設(shè)計(jì)與文件制作過程，看得出技術(shù)人員對于汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)所做的努力。鋰電池BMS的應(yīng)用涵蓋復(fù)雜的軟件與先進(jìn)處理器的設(shè)計(jì)，讓汽車供貨商希望能納入比ISO26262協(xié)議更多的資源。

新的電池管理系統(tǒng)架構(gòu)只需要簡單的低級微控制器(MCU)，同時(shí)還能改善電池監(jiān)控性能。本文將闡述它的結(jié)構(gòu)，以及如何使遵循ISO26262協(xié)議的過程更加順利。

汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)首重功能性安全

現(xiàn)今汽車設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于功能性安全的考慮，已逐漸超過原先對外觀設(shè)計(jì)的注重，而且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩O(shè)計(jì)需要良好的故障檢測功能，才能確保系統(tǒng)在一般使用情境中是安全的。以上都是促進(jìn)功能性安全設(shè)計(jì)發(fā)展的因素。

在安全要求較高的系統(tǒng)內(nèi)，遵循協(xié)議的負(fù)擔(dān)會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體制造商嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨槟Ｊ脚c硬件組件流程設(shè)計(jì)的文件制作，而大大減輕，如車用IC開發(fā)商提供客戶故障時(shí)間(FIT)、錯(cuò)誤模式與安全功能等數(shù)據(jù)，并記錄在「失效模式影響與診斷分析數(shù)據(jù)(FMEDA)」上。

若須從監(jiān)測系統(tǒng)中的鋰電池讀取重要電壓讀數(shù)，BMS要在傳感器與高級處理器間，建置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軟件與高靈敏的通信鏈接。然而，要進(jìn)一步證明這些鏈接符合ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，對BMS制造商而言會(huì)是很大的難題與挑戰(zhàn)。

新BMS設(shè)計(jì)架構(gòu)出爐

BMS的基本功能是安全地管理電池、延長它的生命周期與縮短充電時(shí)間。以鋰電池而言，BMS會(huì)持續(xù)提供充電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)與電壓的狀態(tài)，讓駕駛掌握運(yùn)作情形;而系統(tǒng)也會(huì)以此決定充電或放電的程序、診斷潛在失誤并執(zhí)行因應(yīng)措施以確保功能性安全。

化學(xué)電池的本質(zhì)是利用可燃物質(zhì)與氧氣提供小容量的能源儲(chǔ)蓄能力，所以鋰電池比一般密封的鉛蓄電池更無法容許物質(zhì)濫用，特別是電池電壓與電池溫度必須根據(jù)規(guī)定嚴(yán)格控制，以避免電池?fù)p壞、失效與燃燒等會(huì)威脅到安全性的隱憂。

在業(yè)界所研發(fā)的新結(jié)構(gòu)中，BMS采用電池組監(jiān)控器與電池監(jiān)控系統(tǒng)。電池組監(jiān)控器能測量電池整體的電壓、溫度與電流，是由雙信道傳感器接口及精密分流電阻與精密電池組電壓衰減器實(shí)作而成。

電池監(jiān)控器能測量個(gè)別電池電壓與特定區(qū)域溫度，只要比較總電壓與量測到的電池電壓，它就可以確認(rèn)BMS是否良好運(yùn)作。這種設(shè)計(jì)的好處在于它是由完全獨(dú)立的測量系統(tǒng)，來驗(yàn)證涵蓋感測線至軟件比較器的整個(gè)電池測量信號路徑。與傳統(tǒng)讓每顆IC都符合功能性安全的設(shè)計(jì)相比，新的架構(gòu)可提供更全面的系統(tǒng)層級驗(yàn)證。

目前的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然能精準(zhǔn)量測個(gè)別電池電壓與檢測電池SOC，然這種方法與鋰電池特性沖突：鋰電池電壓在放電20?80%之間幾乎不動(dòng)，裝置必須能測量到極微小的電壓，才能準(zhǔn)確追蹤SOC變化，但車用鋰電池會(huì)耗費(fèi)所有時(shí)間在檢測SOC放電狀態(tài)。由于電池必須保留頂部空間以吸收運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的再生能量，因此一般來說不會(huì)將電池完全充滿。

想要達(dá)到極精密與精準(zhǔn)的汽車電池電壓量測試，是幾乎行不通的。相較之下，以零偏移的芯片進(jìn)行分流器電流檢測會(huì)更簡單、精準(zhǔn)，它加強(qiáng)庫倫整合方法，即使由相對不精準(zhǔn)電壓來計(jì)算，也能有精準(zhǔn)與可靠的SOC評估。

過度復(fù)雜的軟件漸不適用

當(dāng)監(jiān)控電池電壓時(shí)，目前慣用的方法是先依序測量個(gè)別電池電壓，并盡可能實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)至主機(jī)控制器?？刂破鬈浖?huì)將電壓與電流讀數(shù)轉(zhuǎn)換成SOC、SOH與電池安全工作區(qū)分析等實(shí)用數(shù)據(jù)。

此方法主要的缺陷在于對復(fù)雜軟件與高流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

BMS需要有良好處理能力的控制器才能負(fù)荷復(fù)雜的程序，但是價(jià)格相對比較昂貴。

復(fù)雜的安全系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與功能性安全驗(yàn)證，會(huì)需要很長的研發(fā)時(shí)間與很高的成本。

傳感器與主機(jī)間的電壓讀數(shù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)必須克服噪音與隔間的干擾，同時(shí)管理高電壓至低電壓區(qū)域傳送。隔離耦合器與外殼等的外部組件也會(huì)增加系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度。

提供更簡化結(jié)構(gòu)區(qū)域電池監(jiān)控問世

現(xiàn)已有汽車鋰電池的全新管理技術(shù)可以應(yīng)用，此技術(shù)采用可進(jìn)行區(qū)域監(jiān)控的新IC。電壓測量以模擬功能執(zhí)行，通過比較器將電池電壓與參考電壓做比較。

關(guān)鍵在于將電池電壓同時(shí)進(jìn)行比較，而非依序量測，這會(huì)提供更多可靠結(jié)果。在連續(xù)系統(tǒng)中，一個(gè)電壓測量值與下一個(gè)之間的區(qū)間負(fù)載變化，會(huì)造成不同電池間的電壓，其電壓差異容易誤導(dǎo)管理者，因?yàn)闆]有復(fù)雜的應(yīng)用軟件與帶時(shí)間標(biāo)記的電壓讀數(shù)、電流測量配對，往往會(huì)有無效的BMS讀數(shù)，進(jìn)而為考慮到負(fù)載變化而進(jìn)行電壓讀數(shù)補(bǔ)償。以上為該軟件擴(kuò)展至現(xiàn)今BMS系統(tǒng)的開發(fā)與規(guī)范流程。

新一代的電池堆棧監(jiān)控器IC(圖1)，電池電壓可同時(shí)與整個(gè)電池鏈比較。而電池鏈則由三十二個(gè)各能支持七個(gè)電池的IC堆棧而成，總共有二百二十四顆電池。因?yàn)樾驴铍姵囟褩１O(jiān)控芯片是同時(shí)比較所有電池，而非依序比較，因此不需另外的軟件程序來補(bǔ)償負(fù)載變化產(chǎn)生的效果。至于SOC與SOH評估的部分，傳統(tǒng)BMS整合了12位連續(xù)漸進(jìn)緩存器(SAR)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)以測量絕對電池電壓。每當(dāng)需要SOC/SOH評估和診斷時(shí)，這些測量數(shù)據(jù)就會(huì)通過菊花鏈(Daisy Chain)低速傳送到主機(jī)。所有需要實(shí)時(shí)完成的監(jiān)控與平衡決策，會(huì)在硬件上進(jìn)行，直接由診斷標(biāo)志做溝通，因此快速并非溝通通道的必要需求。

圖1 新一代電池堆棧監(jiān)控芯片可同時(shí)比較電池電壓，因此省去依序執(zhí)行電池量測并在軟件中比較時(shí)所需的復(fù)雜補(bǔ)償算法。

新一代電池堆棧監(jiān)控芯片能讓各模塊中的七顆電池電壓比較誤差范圍縮至僅±1mV。整合的比較功能讓該芯片能實(shí)現(xiàn)局部電池被動(dòng)平衡。汽車制造商采用的高質(zhì)量鋰電池中，自放電電流或電流監(jiān)控IC引出電流之間的微小差異，會(huì)產(chǎn)生電池間的SOC不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生電壓。這些微小的平衡差異可以由小于100毫安、上述可程序臨界值上限電壓的電流平衡放電糾正，這是該芯片中具備的切換能力。

新款電池堆棧監(jiān)控芯片不須要與主機(jī)通訊就能達(dá)到電池平衡，其極高的電壓精準(zhǔn)度能夠平衡SOC中間的磷酸鐵鋰電池，而這七顆電池之間的電壓差，則微小到甚至能被忽略。為支持BMS，該芯片必須把它的絕對讀數(shù)傳給控制器，但是對系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，由于該架構(gòu)支持雙向溝通，比較容易達(dá)到安全性功能目標(biāo)。診斷信號有先后處理順序：當(dāng)電池電壓在安全臨界值，信號必須馬上送至控制器，以采取必要的反制措施。信號會(huì)通過專用CVT_NOK_OUT點(diǎn)傳送，以警告微控制器有一個(gè)或多個(gè)工作電壓范圍外的電池電壓。

SOC與SOH監(jiān)控的目的在于通過替代鏈接傳送個(gè)別電池電壓讀數(shù)，該替代連結(jié)為緩慢且穩(wěn)定的信道序列與循環(huán)冗余檢驗(yàn)(CRC)，具有高度的抗干擾性。

鋰電池監(jiān)控與平衡若采用可提供同步電壓比較與區(qū)域被動(dòng)電池平衡的架構(gòu)，整體應(yīng)用會(huì)更簡單、成本也能降低，讓汽車制造商免于成本過高的困擾，也能降低目前鋰電池管理系統(tǒng)中以軟件為基礎(chǔ)的汽車監(jiān)控與平衡的復(fù)雜度。