HEV/EV電池管理系統(tǒng)中的標準放大器功能

混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車（EV）之所以備受歡迎，是因為它們具有低（零）排放和低維護要求，同時提供了更高的效率和驅(qū)動性能。新的HEV/EV公司方興未艾，而且現(xiàn)有的汽車制造商正大舉投資HEV/EV市場，以爭奪市場份額。

HEV/EV動力總成的核心在于系統(tǒng)。該系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取電力，將其存儲在電池中（靜止時），并從電池獲取能量以轉(zhuǎn)動電機并移動車輛。該系統(tǒng)主要包括四個子系統(tǒng)：車載充電器（OBC）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC-DC轉(zhuǎn)換器（DC/DC）以及逆變器和電機控制（IMC），如圖1所示。在HEV/EV的BMS中經(jīng)常忽略放大器的靈活性和成本效益。因此，本文將重點介紹BMS以及設計人員如何在系統(tǒng)中使用放大器。

圖1：典型的帶有OBC、BMS、DC/DC、逆變器和電機控制的HEV/EV系統(tǒng)圖

BMS的作用是什么？

BMS維護和監(jiān)控電池，包括有效和安全地充電和放電。BMS相對地平衡每個單體電池的電壓和電荷，監(jiān)控電池的健康狀況，使電池保持安全的工作溫度，并確保更長的電池壽命。BMS應該防止諸如電池反復過度放電，因為這將縮短電池壽命，或應防止過度充電，因為這可能會損壞電池并引起火災或爆炸。HEV/EV中的電池是許多串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池組合，可以滿足所需的電壓和能量。待完全充電后，單個鋰離子電池的電壓為4.2V，放電時接近2.8V。HEV/EV中充滿電的電池電壓范圍為200V至800V。圖2是典型的BMS框圖。

圖2：BMS系統(tǒng)框圖

讓我們回顧一下BMS的主要功能。

電池電流感應

監(jiān)控輸入電池組的電流和輸出電池組的電流至關(guān)重要。在主鋰離子電池中，該電流的大小往往高達數(shù)百安培?；魻杺鞲衅?、感應傳感器或分流電阻器上的隔離放大器通常用于電池冷側(cè)（低電壓）到熱側(cè)（高電壓）電流感測。這些隔離電流感測解決方案可以具有模擬差分輸出信號。隔離電流感測旨在保持熱側(cè)和冷側(cè)分離，并將關(guān)于感測到的電流的模擬信息提供給主微控制器中的由低壓電源供電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這種電流感測通常不需要非常準確。運算放大器將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號（以接地為參考），增加動態(tài)范圍，并驅(qū)動ADC。在BMS中，通常使用電流分流監(jiān)控器進行精確的熱側(cè)電流感測。

圖3所示為不同電壓域的帶隔離放大器和運算放大器電路（用于帶直流傳遞功能的電流感測）。分流電阻上產(chǎn)生的電壓V_SHUNT由一個隔離放大器放大，作為其隔離輸出的差分輸出信號V_DIFF。運算放大器將差分信號V_DIFF轉(zhuǎn)換為單端信號OUT，并通過向信號施加2 V/V的增益來提高動態(tài)范圍。隔離放大器偏移決定了初始電流感測精度。差分放大器的共模抑制比主要由電阻容差決定。

圖3：用于隔離電流感測的帶運算放大器的隔離放大器

DC-DC轉(zhuǎn)換器從HEV/EV中的主高壓電池生成單獨的48V電池子系統(tǒng)。這款48V電池子系統(tǒng)為空調(diào)、加熱、制動系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向提供動力，并提供比使用鉛酸電池的傳統(tǒng)12 V電源軌更高的效率。48V子系統(tǒng)不含主電池那么高的電流負載，但仍然需要電流感測，這就是為何它有自己的本地BMS。在48V BMS中，非隔離精密電流分流監(jiān)控器用于主電流感測，雙向運算放大器電流感測電路用作冗余過流保護。圖4所示為進行雙向電流感測的運算放大器電路。

圖4：低側(cè)雙向電流感應運算放大器電路

電池電壓感測

需要像電流一樣監(jiān)控電池的電壓。在隔離電壓檢測中，電阻分壓器將高電壓從電池分壓到放大器的共模輸入范圍。隔離放大器感測到分壓電壓，差分放大器配置中使用的運算放大器將隔離放大器中的差分輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出。若不需要隔離，則差分放大器配置中的運算放大器可以執(zhí)行直接電壓感測。

圖5所示為采用隔離放大器和運算放大器的隔離電壓感測。隔離放大器隔離熱側(cè)和冷側(cè)，并輸出增益為1的差分信號。運算放大器將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出，并使ADC增益滿足全動態(tài)范圍。該電壓被饋送到冷側(cè)MCU中的ADC。

專為BMS設計的集成功率芯片可跟蹤每個鋰離子電池的電壓并平衡電荷。以菊花鏈方式連接這些功率芯片可以同時測量所有鋰離子電池的電壓，平衡這些電池上的電壓，并將此信息傳遞給MCU。

圖5：通過隔離放大器和運算放大器感測隔離電壓

隔離漏流電流測量

正如我之前提到的那樣，高壓200至800V側(cè)與車輛底盤接地和其他低壓域（12 V和48 V）保持隔離。通過測試隔離中斷測量電池電壓和漏泄電流還將導致測量高壓軌與底盤接地的低壓之間的電阻或泄漏。汽車高壓和隔離泄漏測量參考設計解釋了測試隔離中斷。它需要使用已知的電阻路徑暫時短接隔離柵，如圖6所示。

圖6：帶運算放大器的隔離漏流電流測量電路

有必要從高壓電池的正極或負極側(cè)了解故障漏電流的路徑。每當發(fā)生隔離中斷時，繼電器S1位于正極側(cè)或繼電器S2位于負極側(cè)。將該已知的隔離電阻與測量的電阻進行比較可以確定通過隔離屏障的泄漏。

例如，當S1關(guān)閉時，如果在負極側(cè)無泄漏，則ISO_POS電壓將等于Vref。若在負極側(cè)存在漏電流（隔離破壞），則ISO_POS電壓將不等于Vref。由于漏電流流過Rps1、Rps2和Rs1、電池的正極側(cè)和負極側(cè)到低壓側(cè)接地，閉環(huán)增益不同。具有低輸入偏置電流的運算放大器適用于此應用，因為連接到反相輸入的阻抗可能非常高（在兆歐范圍內(nèi)）。

溫度監(jiān)測

HEV/EV需要高電壓和高電流，這可能導致高功耗和快速溫升。監(jiān)測電池及其周圍系統(tǒng)的溫度非常有必要，以防止功耗過大。若故障導致高功耗，電池控制單元將斷開電池，以防止發(fā)生火災和爆炸等災難性事件。

一種經(jīng)濟有效的溫度感測解決方案是使用運算放大器緩沖來自與電阻串聯(lián)的負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的信號。由于BMS和電池占位空間較大，因此整個系統(tǒng)的溫度可能不均勻。這種不均勻的溫度需要在整個BMS中放置多個溫度感測單元。將來自這些單元的信號復用到單個ADC或MCU引腳需要信號調(diào)節(jié)。還需要緩沖和放大信號，以滿足ADC的全動態(tài)范圍。

圖7說明了用于緩沖放大器或同相放大器配置的運算放大器。具有合理偏移和失調(diào)漂移的低成本高壓運算放大器適用于此應用。

圖7：使用NTC熱敏電阻和運算放大器進行溫度感測

聯(lián)鎖監(jiān)測

聯(lián)鎖是一個電壓和電流回路系統(tǒng)，流經(jīng)HEV/EV系統(tǒng)中的一系列子系統(tǒng)，如圖8所示。聯(lián)鎖從BMS啟動并經(jīng)過逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、OBC再返回BMS，以監(jiān)測任何篡改、打開高壓系統(tǒng)或打開維護艙口的事件。汽車高壓聯(lián)鎖參考設計解釋了聯(lián)鎖系統(tǒng)如何斷開高壓線路以防止受傷。

聯(lián)鎖回路主要涉及感測不需要高精度測量的以脈沖傳輸?shù)碾娏?。緊湊的解決方案需求可能會導致基于儀表放大器的解決方案。最經(jīng)濟的解決方案是在差分放大器配置中使用帶運算放大器和分立電阻的電流感測電路。聯(lián)鎖回路不是高電流回路；因此，您可以使用高值分流電阻，且不會有高功耗風險。安全和診斷功能需要冗余，以覆蓋主系統(tǒng)發(fā)生故障時的情況。為檢測所有可能的故障，可能存在更多需要二次電壓和電流感測的情況，以及低成本解決方案變得更加可行的情況。

圖8：BMS中的聯(lián)鎖系統(tǒng)

結(jié)論

這些都是使用放大器的BMS中的標準功能，但根據(jù)系統(tǒng)設計，您使用運算放大器時可能會有更多功能。當出現(xiàn)新問題或異常問題且不存在集成解決方案時，基于運算放大器的解決方案變得更加實用。EV/HEV中的系統(tǒng)正在發(fā)展，且運算放大器提供快速、精確和靈活的解決方案的情況正變得越來越普遍。

參考文獻

1.德州儀器BMS應用頁面。

2. 模擬工程師的電路說明書。