集成電阻分壓器如何提高電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)性能

在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)中，電池管理系統(tǒng) (BMS) 是電池包的大腦，負(fù)責(zé)確保電池的性能、安全性和壽命。BMS 可監(jiān)控多個(gè)參數(shù)，如充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，充電狀態(tài)能提供可用的剩余能量，健康狀態(tài)能評(píng)估電池電芯的整體狀況和老化程度。這些指標(biāo)有助于維持高效能源使用并延遲電池的過(guò)早老化。

為了滿足有關(guān)電池效率和環(huán)境可持續(xù)性的法規(guī)，汽車制造商必須在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持非常良好的電池健康狀態(tài)。例如，加利福尼亞州空氣資源委員會(huì) (California Air Resources Board) 提出了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，要求電動(dòng)汽車在 10 年內(nèi)（2030 年之前款車型為 150,000 英里）至少保持 80% 的續(xù)航里程。這是最早將于 2026 年款車型開(kāi)始實(shí)施的較低要求的結(jié)果，規(guī)定在 2031 年款車型之后繼續(xù)嚴(yán)格執(zhí)行法規(guī)。類似的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在全球生效，因此需要在 BMS 中使用更先進(jìn)的集成解決方案來(lái)提高檢測(cè)精度。在本文中，我們將介紹與分立式電阻鏈相比，集成式高壓電阻分壓器如何提供更精確且更節(jié)省空間的電壓衰減方法，從而使 BMS 能夠更好地平衡電池包并延長(zhǎng)其壽命。

圖1展示了電動(dòng)汽車內(nèi)的電池電芯和電池管理系統(tǒng)。

圖1 ≥400V電動(dòng)汽車電池通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行衰減，以連接BMS的其余部分

應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)

典型的電動(dòng)汽車電池電壓為 ≥400V，行業(yè)正在朝著 1kV 或更高電壓的趨勢(shì)發(fā)展。更高電壓的電池有助于降低最大電流要求并更大限度地提高效率。測(cè)量此電壓并將其傳達(dá)給相關(guān)車輛系統(tǒng)需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換器通常由大約 5V 的電壓供電。ADC 不接受大于該電壓的輸入信號(hào)。

為了保護(hù) ADC 和其他低壓元件免受相對(duì)較大的電池電壓的影響，需要使用隔離式放大器等器件來(lái)維持高壓域和低壓域之間的隔離。盡管是兩個(gè)電壓域之間的電橋，隔離式放大器只能接受與 ADC 類似的電壓范圍，從而需要在到達(dá)隔離放大器之前衰減電池電壓。通常使用電阻分壓器實(shí)現(xiàn)此目的，將高電壓信號(hào)降低到電壓較低的滿量程范圍內(nèi)。

圖 2 是直流總線測(cè)量的電路圖，該測(cè)量使用長(zhǎng)串電阻器，以便將電池電壓衰減到可接受的水平。

圖2 使用分立式電阻梯測(cè)量電池電壓的電路

分立式電阻器鏈的缺點(diǎn)

在處理大于 400V 的電壓時(shí)，必須考慮爬電距離和間隙，以防止出現(xiàn)電弧并確保絕緣安全。盡管傳統(tǒng)的電阻分壓器僅需要兩個(gè)電阻器，但為了實(shí)現(xiàn)爬電和間隙，高壓衰減通常采用長(zhǎng)鏈電阻器來(lái)增加高壓和低壓節(jié)點(diǎn)之間的物理距離。根據(jù) IEC 60115-8，每個(gè)電阻上的最大持續(xù)壓降都受到限制；通常情況下，每個(gè) 1206 外殼尺寸表面貼裝電阻為 200V，每個(gè) 0805 外殼尺寸電阻為 150V。

該設(shè)計(jì)方法確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。即使使用精密電阻器，每個(gè)分立式電阻器的固有容差變化也可能會(huì)使分壓比出現(xiàn)顯著差異，從而導(dǎo)致電壓測(cè)量不準(zhǔn)確。分立式電阻器還容易因溫度變化和老化而導(dǎo)致電阻變化。此類電阻器兩端的焊接點(diǎn)也會(huì)暴露在外，可能導(dǎo)致額外的泄漏和寄生電容或電感，除非采用保形涂層或其他保護(hù)措施，而這些措施會(huì)增加解決方案成本。

在長(zhǎng)鏈分立式電阻器中，這些影響會(huì)加劇，隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步降低電壓檢測(cè)精度；導(dǎo)致充電狀態(tài)和運(yùn)行狀況估計(jì)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致電池管理決策欠佳（例如充電和放電周期不正確）；最終會(huì)縮短電池壽命和電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

集成的優(yōu)勢(shì)

德州儀器 RES60A-Q1 集成電阻分壓器的寬體 SOIC 封裝經(jīng)專門設(shè)計(jì)，能滿足國(guó)際電工委員會(huì) 61010 標(biāo)準(zhǔn)定義的爬電距離和間隙標(biāo)準(zhǔn)，可處理高達(dá) 1.7kV 的電壓。

該器件在性能和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。為初始比率和超時(shí)容差指定的最大限值有助于確保分壓比準(zhǔn)確，盡管存在老化或環(huán)境變化（如溫度變化）的影響。對(duì)于注重一致性能的應(yīng)用而言，可靠性非常重要。

集成電路封裝設(shè)計(jì)省去了冗長(zhǎng)的分立式電阻鏈，從而減小所需的印刷電路板尺寸。這種整合不僅簡(jiǎn)化了電路布局，而且降低了組裝成本。更少的暴露節(jié)點(diǎn)可降低漏電或寄生效應(yīng)產(chǎn)生誤差的可能性，無(wú)需保形涂層，并且還可能降低成本。

圖 3 是直流總線測(cè)量的電路圖，其中 RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1 提供了一種測(cè)量穿過(guò)隔離柵的電壓并實(shí)現(xiàn)小于 1% 的滿量程范圍誤差的方法。

圖3 采用RES60A-Q1、RES11A-Q1和AMC1311B-Q1的電池電壓測(cè)量電路

差分至單端轉(zhuǎn)換

具有差分輸出的隔離式放大器（例如德州儀器的 AMC1311B-Q1）很受歡迎，因?yàn)椴罘州敵龇浅＿m合承載更長(zhǎng)距離的信號(hào)。出于安全考慮，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將其低壓元件放置在遠(yuǎn)離高壓源的位置。要將此信號(hào)饋入單端 ADC，需要通過(guò)添加集成差分放大器或在放大器周圍配置四個(gè)分立式電阻器來(lái)進(jìn)行差分到單端轉(zhuǎn)換（請(qǐng)參閱圖 3）。

個(gè)別電阻器也會(huì)在分立式差分放大器實(shí)現(xiàn)中引入比率漂移，具體原因與分立式電阻分壓器在衰減期間引入誤差的原因相同。將集成電阻器（如 RES11A-Q1）與高精度放大器（如OPA388-Q1）相結(jié)合，可產(chǎn)生具有高共模抑制比的差分放大器，這有助于降低噪聲和減少其他誤差。

結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì) BMS 的高電壓衰減電路時(shí)，從分立式電阻鏈過(guò)渡到 RES60A-Q1 等解決方案具有諸多優(yōu)勢(shì)。當(dāng)與 RES11A-Q1 等輔助元件配合使用以進(jìn)行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，這些集成器件有助于使電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間維持健康的電池狀態(tài)。