電池管理和牽引逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

引言

技術(shù)創(chuàng)新將解除電動汽車大規(guī)模采用的最后障礙

目前有兩個主要的中斷影響車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來。首先是從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動機(jī)驅(qū)動。第二個是基于寬帶隙材料的新型功率開關(guān)（用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)）的出現(xiàn)。這些提供的品質(zhì)因數(shù)比現(xiàn)有的基于硅的解決方案好 10 倍。然而，由于電池占最終車輛成本的 25% 以上，優(yōu)化能源使用是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電動汽車 （EV） 采用的關(guān)鍵之一。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)意味著認(rèn)識到每一瓦的消耗都是至關(guān)重要的，并將子系統(tǒng)效率作為汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

動力系統(tǒng)電源管理的最新進(jìn)展（見圖 1）——包括隔離式柵極驅(qū)動器、傳感和 BMS——為設(shè)計(jì)人員提供了發(fā)揮創(chuàng)意的機(jī)會，以提高系統(tǒng)效率，同時控制系統(tǒng)成本。

圖 1. EV 動力總成系統(tǒng)。

新型隔離柵極驅(qū)動器技術(shù)

碳化硅 （SiC） MOSFET 以 EV 傳動系統(tǒng)中的下一代牽引逆變器為目標(biāo)，憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛預(yù)期與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn) EV 行駛周期相比，其續(xù)航里程將增加 4% 至 10%基于硅的技術(shù)。1 與支持組件一起得到適當(dāng)利用，這種能效提升可能代表著在建立消費(fèi)者對電動汽車?yán)m(xù)航里程的信心方面向前邁出的一大步，從而有助于加速電動汽車的采用。

隔離式柵極驅(qū)動器的首要目標(biāo)是保護(hù)人員和設(shè)備免受 SiC 開關(guān)兩端的高壓影響。第二個是確保通過隔離柵的傳播延遲短而準(zhǔn)確。實(shí)際上，在支路配置中，與牽引逆變器系統(tǒng)一樣，有兩個晶體管（一個高側(cè)和一個低側(cè)），它們不應(yīng)同時導(dǎo)通以避免短路。出于這個原因，來自微控制器并進(jìn)入晶體管柵極的脈寬調(diào)制 （PWM） 信號需要具有類似的傳播延遲。然后，由于需要補(bǔ)償任何延遲，因此較短的傳播延遲可實(shí)現(xiàn)最快的控制環(huán)路。

除此之外，隔離式柵極驅(qū)動器將負(fù)責(zé)設(shè)置最佳開關(guān)最佳點(diǎn)、控制電源開關(guān)過熱、檢測和防止短路，以及促進(jìn)子模塊驅(qū)動/開關(guān)功能的插入。 ASIL D 系統(tǒng)。

SiC 開關(guān)的所有固有優(yōu)勢都將被常見的噪聲擾動以及由于在管理不善的電源開關(guān)環(huán)境中產(chǎn)生的超快電壓和電流瞬變而產(chǎn)生的極高和破壞性電壓過沖所抵消。從廣義上講，盡管有底層技術(shù)，SiC 開關(guān)的功能相對簡單——它只是一個 3 端子器件——但它必須小心地與系統(tǒng)接口。

隔離：系統(tǒng)效率的關(guān)鍵要素

SiC 開關(guān)引入的高壓擺率瞬變會破壞隔離柵上的數(shù)據(jù)傳輸，因此測量和了解系統(tǒng)對這些瞬變的敏感性至關(guān)重要?；诰哂泻窬埘啺方^緣層的變壓器（參見圖 2）的技術(shù)表現(xiàn)出理想的共模瞬態(tài)抗擾度 （CMTI），測量性能高達(dá) 200 V/ns 甚至更高。聚酰亞胺絕緣技術(shù)在安全操作下釋放了 SiC 開關(guān)時間的全部潛力。

圖 2. 具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數(shù)字隔離器使用代工 CMOS 工藝。變壓器是差分的，可提供出色的共模瞬態(tài)抗擾度。

開關(guān)能量和電磁兼容性 （EMC） 同樣可以最大化，以提高功率性能，并最終提高 EV 續(xù)航里程。更高的驅(qū)動能力使設(shè)計(jì)人員能夠擁有更快的邊沿速率，從而降低開關(guān)損耗。更高的驅(qū)動能力不僅有助于提高效率，而且無需為每個柵極驅(qū)動器分配外部緩沖器，從而節(jié)省電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要更慢地切換以實(shí)現(xiàn)最佳效率，甚至在研究表明可以進(jìn)一步提高效率的階段。ADuM4177 _預(yù)發(fā)布的 30 A 柵極驅(qū)動器提供一流的驅(qū)動強(qiáng)度、可調(diào)壓擺率（參見圖 3）和 SPI。該器件的額定峰值為 1500 V，直流工作電壓符合 DIN VDE V VD0884-11，可用于 400 V 或 800 V 系統(tǒng)。圖 4 和圖 5 顯示了 600 V/460 A 時 11 mJ 的開啟和關(guān)閉開關(guān)能量。我們還可以注意到開啟時的最小振鈴，以及非?？煽氐年P(guān)閉時的過沖。

圖 3. ADuM4177 的壓擺率控制。

圖 4. 驅(qū)動 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 時顯示 11 mJ 開啟。

圖 5. 驅(qū)動 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 下顯示 11 mJ 關(guān)斷。

不妥協(xié)的穩(wěn)健性

考慮到更小的芯片尺寸和嚴(yán)格的熱包絡(luò)，短路是基于 SiC 的功率開關(guān) （MOSFET） 的主要障礙。柵極驅(qū)動器為 EV 動力總成的可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化提供必不可少的短路保護(hù)。

高性能柵極驅(qū)動器已在實(shí)際測試中證明了其價值。在包括短路檢測時間和總故障清除時間在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)中，性能可分別低至 300 ns 和 800 ns。為了獲得額外的安全和保護(hù)，測試結(jié)果證明了可調(diào)節(jié)的軟關(guān)機(jī)功能對于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

進(jìn)入磁阻 （MR） 電流傳感器技術(shù)

如圖 1 所示，需要為逆變器控制回路檢測直流和相電流。使用 SiC 功率開關(guān)，更高的開關(guān)速率和開關(guān)頻率是可能的，當(dāng)控制回路有足夠的相位裕度時，這可以帶來更高的效率和更好的負(fù)載調(diào)節(jié)。為了在開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)恒定響應(yīng)和低相位延遲，電流測量的頻率需要至少高十倍。這使得電流傳感解決方案的帶寬成為充分利用 SiC 開關(guān)的關(guān)鍵因素。

霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)最高性能的障礙

在牽引逆變器中測量電流的傳統(tǒng)方法使用霍爾傳感器，該傳感器通過測量流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場來工作。然而，它們?nèi)狈`敏度，需要使用通量集中器（或磁芯）來放大磁場，以便對其進(jìn)行測量。結(jié)合霍爾傳感器和磁芯的模塊廣泛可用，但可能會對系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成重大限制。這些模塊很重、體積大，并且容易受到機(jī)械損壞，這可能會成為導(dǎo)致現(xiàn)場返回的可靠性問題。此外，磁芯中磁性材料的存在將對頻率響應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，除非使用特殊且昂貴的材料。今天，這些模塊的帶寬限制在 50 kHz 到 100 kHz。

使用分流解決方案的挑戰(zhàn)

另一種測量較低電流的方法是通過分流器、電流檢測放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。分流器已經(jīng)存在很多年了，隨著時間的推移不斷改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)它們眾所周知的穩(wěn)定性。然而，分流解決方案的兩個主要缺點(diǎn)是自熱（功耗為 R×I2）以及在某些應(yīng)用中需要隔離。降低分流電阻可以減少自熱，但這也會降低相關(guān)信號的幅度。分流器還具有寄生電感，它限制了待測電流的帶寬。由于存在這些限制，電力系統(tǒng)必須尋求不同的技術(shù)來解決當(dāng)前的測量挑戰(zhàn)。

下一代電流測量和更簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：MR 傳感器

MR 傳感器還通過測量流過導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場來工作。但是，MR 傳感器比霍爾傳感器靈敏得多，因此無需磁芯。如果沒有這個障礙，MR 傳感器本身的固有功能（例如高帶寬、精度和低偏移）允許更簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

去除笨重的磁芯意味著必須額外注意相位之間的串?dāng)_和外部磁干擾的可能性。Analog Devices 的解決方案利用 MR 傳感器的設(shè)計(jì)靈活性來減弱此類干擾的影響。ADI 提供設(shè)計(jì)指南和工具來幫助工程師設(shè)計(jì)無芯電流測量系統(tǒng)。

使用 AMR 傳感器的無芯傳感

圖 6 顯示的解決方案不僅比基于磁芯的解決方案帶寬更高、更準(zhǔn)確、更輕，而且還構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn) PCB 上，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和集成成本。它呈現(xiàn)了一個環(huán)形架構(gòu)，由六個各向異性磁阻 （AMR） 傳感器組成，這些傳感器排列成一個圓圈，以整合要測量的磁場。磁場的集成將抑制外部雜散場，從而實(shí)現(xiàn)對均勻雜散場的高抑制和低串?dāng)_。每個單獨(dú)的傳感器都感應(yīng)由放置在電路板中心的電線/母線產(chǎn)生的磁場。這些傳感器的輸出在模擬域中相加，產(chǎn)生的電壓輸出與流入導(dǎo)體的電流成正比。

圖 6. 采用環(huán)形架構(gòu)的無芯傳感。

可以改變使用的傳感器數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)對雜散場或環(huán)內(nèi)導(dǎo)線放置容差的不同級別的魯棒性。環(huán)的直徑可以按比例放大或縮小以匹配系統(tǒng)的目標(biāo)電流范圍。通過這種方式，單一設(shè)計(jì)方法（但可能具有多種尺寸）允許跨系統(tǒng)和平臺重用，從而縮短開發(fā)時間并降低系統(tǒng)成本。

ADI 將發(fā)布面向儀表和工業(yè)市場的 ADAF1080。ADAF1080 具有高磁性范圍、固有隔離測量以及在整個壽命和溫度范圍內(nèi)的零偏移，從而在閉環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低輸出紋波和高效率，為下一代電流測量鋪平了道路。ADAF1080 可以實(shí)現(xiàn)非接觸式和無芯電流測量，具有高達(dá) 2 MHz 的 3 dB 帶寬。這些性能共同提高了逆變器的效率，進(jìn)而擴(kuò)展了車輛的續(xù)航里程。

能源管理

在邁向最高性能的道路上，無論電動汽車處于“開啟”、“待機(jī)”還是“睡眠”模式，每一瓦特都很重要。尖端的電源管理解決方案可以進(jìn)一步提高整體車輛效率，這與額外的里程相關(guān)，同時不會影響從低電流/低電壓到高電流/高電壓應(yīng)用的最佳 EMC 性能。

高壓反激電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在功能安全的系統(tǒng)中，電壓供應(yīng)的連續(xù)性至關(guān)重要。從高壓電池生成本地低壓軌起著關(guān)鍵作用。在傳統(tǒng)的隔離式高壓反激式轉(zhuǎn)換器中，使用光耦合器將調(diào)節(jié)信息從次級側(cè)參考電路傳輸?shù)匠跫墏?cè)來實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格調(diào)節(jié)。問題是光耦合器極大地增加了隔離設(shè)計(jì)的復(fù)雜性：存在傳播延遲、老化和增益變化，所有這些都會使電源環(huán)路補(bǔ)償復(fù)雜化，并會降低可靠性。此外，在啟動期間，需要一個泄放電阻器或高壓啟動電路來為 IC 初始供電。除非在啟動組件中添加額外的高壓 MOSFET，否則泄放電阻器是不受歡迎的功率損耗源。

無需光耦合器

通過對來自第三個繞組的隔離輸出電壓進(jìn)行采樣，無需光耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓通過兩個外部電阻器和第三個可選溫度補(bǔ)償電阻器進(jìn)行編程。邊界模式操作有助于實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載調(diào)節(jié)。由于在次級電流幾乎為零時檢測輸出電壓，因此不需要外部負(fù)載補(bǔ)償電阻器和電容器。因此，該解決方案的元件數(shù)量很少，大大簡化了隔離式反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。

啟動優(yōu)化

使用內(nèi)部耗盡型 MOSFET（具有負(fù)閾值電壓并且通常處于開啟狀態(tài)），無需外部泄放電阻器或其他啟動組件。一旦對本地 12 V 電容器充電，耗盡型 MOSFET 就會關(guān)閉以減少功率損耗。

超低靜態(tài)電流

為了實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流，應(yīng)實(shí)施多種機(jī)制。應(yīng)在輕負(fù)載時降低開關(guān)頻率，同時保持最小電流限制，以便在正確采樣輸出電壓的同時降低電流。在待機(jī)模式下，通過將其開關(guān)頻率降低 16 倍（3.5 kHz 至 220 kHz）以及將預(yù)負(fù)載電流保持在低于全輸出功率的 0.1%，LT8316的靜態(tài)電流低于 100 μA。

極寬輸入范圍操作（18 V 至 1000 V）

LT8316 額定在高達(dá) 600V 的 VIN 下工作，但可以通過將一個齊納二極管與 VIN 引腳串聯(lián)來擴(kuò)展，以進(jìn)一步提高解決方案的可擴(kuò)展性。齊納二極管兩端的電壓降降低了施加到芯片上的電壓，使電源電壓超過 600 V。將 220 V 齊納二極管與 VIN 引腳串聯(lián)，啟動的最小電源電壓為 260 V，給出或采取，考慮齊納二極管的電壓容差。請注意，啟動后，LT8316 將在低于 260 V 的電源電壓下正常工作。

圖 7. LT8316 反激式轉(zhuǎn)換器的效率。

圖 8. LT8316 反激式轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)。

圖 7 顯示了不同輸入電壓下的效率，反激式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了 91% 的峰值效率。即使沒有光耦合器，不同輸入電壓下的負(fù)載調(diào)節(jié)仍然很嚴(yán)格，如圖 8 所示。

電池管理系統(tǒng)

BMS 密切監(jiān)視和管理多節(jié)電池組的充電狀態(tài) （SOC）。對于大型、高壓電池組，例如電動汽車中的電池組，準(zhǔn)確監(jiān)控每個電池單元和整體電池組參數(shù)對于實(shí)現(xiàn)最大可用容量以及確保安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。BMS 的準(zhǔn)確性將從電池中釋放更多能量，這直接轉(zhuǎn)化為電動汽車每次充電可以提供的里程數(shù)，最大限度地延長電池的整體壽命，從而降低擁有成本。

2009 年，凌力爾特（現(xiàn)為 ADI 的一部分）將第一款電池監(jiān)視器 IC 推向市場。它與運(yùn)算放大器、多路復(fù)用器和 ADC 集成以測量電池電壓和溫度。10 多年后，ADI 憑借 100 多款車型的 5 代路經(jīng)驗(yàn)證設(shè)備，引領(lǐng) BMS 行業(yè)。

生命周期總測量誤差 （LTME）

我們最近發(fā)布的 BMS 產(chǎn)品是ADBMS6815（參見圖 9），它具有行業(yè)領(lǐng)先的 1.5 mV LTME。相對于行業(yè)基準(zhǔn)，這幾乎是 LTME 的 2 倍。

汽車 OEM 和 Tier 1 已確認(rèn)每 mV 的 LTME 對 SOC 估計(jì)的影響超過 5%，因此要求 OEM 在報(bào)告車輛的剩余續(xù)航里程時過于保守。對于價值 9000 美元的高壓電池組，SOC 估計(jì)中 1% 的誤差會使系統(tǒng)每 mV 誤差損失約 90 美元。LTME 包括熱滯后、回流焊、量化誤差（噪聲）、濕度敏感性和長期漂移。

在使用 16 個 12 通道器件的 800 V 系統(tǒng)中，與具有 1.5 mV 誤差的 ADBMS6815 相比，4 mV 誤差（最先進(jìn)的技術(shù)）具有約 225 美元的總擁有成本，同時實(shí)現(xiàn)了更好的 SOC 估計(jì)和擴(kuò)展 EV 范圍。

圖 9. BMS 多單元解決方案的 ADBMS6815 應(yīng)用圖。

ADBMS6815 有兩個 16 位 sigma-delta ADC，每個 ADC 多路復(fù)用在 8 個通道上，并帶有 8 個可編程過采樣率，允許低至 26 Hz 和高達(dá) 27 kHz 的濾波。憑借 300 mA 的電池平衡能力，ADBMS6815 消除了外部放電開關(guān)，每個 BMS IC 也節(jié)省了約 0.50 美元。此外，該設(shè)備完全支持最新要求，即使在車輛鑰匙關(guān)閉時也能通過監(jiān)控電池來對電池?zé)釂栴}進(jìn)行早期預(yù)警。

無線 BMS （wBMS）

wBMS 解決方案代表了三大技術(shù)支柱的組合，即 BMS 性能、無線電解決方案和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)。wBMS 系統(tǒng)解決方案專為汽車電池管理用例定制，為下一代電動汽車提供安全、可靠、穩(wěn)健且可擴(kuò)展的端到端 wBMS 系統(tǒng)解決方案。

wBMS 系統(tǒng)的核心是射頻網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在 2.4 GHz 頻段運(yùn)行，是一個冗余星形拓?fù)洹＿@意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都可以直接與 2 個管理器中的 1 個進(jìn)行通信。該網(wǎng)絡(luò)還支持 2 跳故障轉(zhuǎn)移模式，在這種模式下，如果發(fā)生通信故障，節(jié)點(diǎn)可以通過另一個節(jié)點(diǎn)跳回網(wǎng)絡(luò)管理器來繼續(xù)通信。wBMS 系統(tǒng)是專門為電池組和 EV 環(huán)境構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)。該無線系統(tǒng)將高性能 2.4 GHz 無線電與時間信道跳躍 MAC 層和提供確定性以及路徑、時間和頻率分集的網(wǎng)絡(luò)層集成在一起。這些關(guān)鍵特性結(jié)合起來克服了操作環(huán)境中的鏈路和干擾挑戰(zhàn)。

取消電池組線束是 wBMS 與 BMS 不同的主要特征之一（參見圖 10 和圖 11）。根據(jù)電池組架構(gòu)，這可以為下一代電動汽車節(jié)省多達(dá) 90% 的布線和電池組系統(tǒng)中多達(dá) 15% 的體積，從而減少電池組材料和更高（能量）密度的電池組的可能性。

電池組通信線束的移除也消除了對汽車設(shè)計(jì)的嚴(yán)格限制。這使得模塊化包裝系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的包裝、自動化/機(jī)器人組裝以及時間和成本效益高的制造過程。更簡單、更模塊化的電池組設(shè)計(jì)開啟了跨電動汽車產(chǎn)品組合重復(fù)使用設(shè)計(jì)的可能性，并帶來了不受容納大量線束和連接器組件限制的設(shè)計(jì)靈活性。

圖 10. BMS 系統(tǒng)中 12 個模塊的典型有線包。

圖 11. wBMS 系統(tǒng)中由 12 個模塊組成的典型無線包。

wBMS 是二次電池組的關(guān)鍵推動力

為了進(jìn)一步改善車輛的整體碳平衡，考慮電池組的第二次使用至關(guān)重要。電池組應(yīng)在其整個生命周期內(nèi)受到密切監(jiān)控，而 wBMS 使這很容易實(shí)現(xiàn)。

在壽命開始時，電池模塊在組裝之前可能會在運(yùn)輸或倉庫庫存中花費(fèi)很長時間。無線 BMS 可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的開路電壓和溫度監(jiān)控，從而可以在早期故障成為問題之前識別它們。此外，壽命可追溯性和監(jiān)控也可以在電池組組裝之前和整個電池生命周期內(nèi)連續(xù)存儲/更新在獨(dú)立的無線啟用電池模塊上。這些特性與通信線束的消除相結(jié)合，可以更輕松且經(jīng)濟(jì)高效地過渡到電池組的第二次使用。

結(jié)論

ADI 的動力總成創(chuàng)新解決方案，例如一組具有超過 150 V/ns CMTI 保護(hù)和低于 1 μs 短路保護(hù)的新型隔離式柵極驅(qū)動器，正在釋放基于 SiC 的新型高性能牽引逆變器系統(tǒng)的全部潛力。

重要的是要注意，柵極驅(qū)動器和 SiC 開關(guān)解決方案的綜合價值和性能可能會因周圍組件的妥協(xié)和/或低效率而被完全抵消。包含廣泛設(shè)計(jì)考慮因素的系統(tǒng)級方法是性能優(yōu)化的關(guān)鍵。

在電池管理方面，ADI 的產(chǎn)品通過提供卓越的電池感應(yīng)、最高級別的汽車安全性、最廣泛的 EV BMS 設(shè)備組合以及最具創(chuàng)新性、多功能的系統(tǒng)級解決方案來應(yīng)對 EV 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

盡管 OEM 采用 wBMS 面臨的挑戰(zhàn)在于規(guī)劃對設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造基礎(chǔ)設(shè)施的重大投資，但從長遠(yuǎn)來看，wBMS 預(yù)計(jì)將更具成本效益和其他優(yōu)勢，為提高電池能量密度、改善設(shè)計(jì)重用和靈活性，并啟用擴(kuò)展功能。

作者：Timothé Rossignol，Kate O’Riordan，Maurizio Granato，Wei Gu，Brian O’Mara，Guilhem Azzano，Sarven Ipek

審核編輯：郭婷