找到電池管理和牽引逆變器系統(tǒng)設(shè)計的成本和性能最佳點

Timothe Rossignol, Brian O’Mara, Kate O’Riordan, Guilhem Azzano, Maurizio Granato, Sarven Ipek, 和 Wei Gu

即使電池技術(shù)和機電技術(shù)取得了進(jìn)步，原始設(shè)備制造商也難以滿足對超低排放性能、車輛續(xù)航里程和消費者負(fù)擔(dān)能力的期望。隔離、電源管理、磁感應(yīng)和電池管理系統(tǒng) （BMS） 領(lǐng)域的創(chuàng)新可以幫助 OEM 滿足對超低排放、續(xù)航里程和車輛成本的期望。

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

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

動力總成電源管理的最新進(jìn)展（見圖1）——包括隔離式柵極驅(qū)動器、檢測和BMS——為設(shè)計人員提供了發(fā)揮創(chuàng)造力的機會，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)。

新型隔離式柵極驅(qū)動器技術(shù)

碳化硅 （SiC） MOSFET 的目標(biāo)是在電動汽車傳動系統(tǒng)中被下一代牽引逆變器采用，與現(xiàn)有的硅基技術(shù)相比，普遍預(yù)計碳化硅 （SiC） MOSFET 在標(biāo)準(zhǔn)電動汽車行駛周期中將增加 4% 至 10% 的續(xù)航里程。1如果與支持組件一起得到適當(dāng)利用，這種功率效率的提高可能代表著在建立消費者對電動汽車系列的信心方面向前邁出了一大步，從而有助于加速電動汽車的采用。

隔離式柵極驅(qū)動器的第一個目標(biāo)是保護(hù)人員和設(shè)備免受 SiC 開關(guān)兩端的高壓的影響。第二個是確保通過隔離柵的短而準(zhǔn)確的傳播延遲。事實上，在支腿配置中，就像在牽引逆變器系統(tǒng)中一樣，有兩個晶體管（一個高端和一個低邊），它們不應(yīng)該同時打開以避免短路。因此，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，由于需要補償任何延遲，短傳播延遲可實現(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，控制電源開關(guān)過熱，檢測和防止短路，以及促進(jìn)在ASIL D系統(tǒng)中插入子塊驅(qū)動/開關(guān)功能。

SiC開關(guān)的所有內(nèi)在優(yōu)勢都會被常見的噪聲擾動以及由于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導(dǎo)致的極高和破壞性電壓過沖所抵消。從廣義上講，盡管底層技術(shù)，SiC開關(guān)的功能相對簡單（它只是一個3端子設(shè)備），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^緣的變壓器的技術(shù)（見圖2）表現(xiàn)出理想的共模瞬變抗擾度（CMTI），測量性能高達(dá)200 V/ns及以上。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的變壓器。數(shù)字隔離器采用晶圓代工CMOS工藝。變壓器是差分的，具有出色的共模瞬態(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)計人員具有更快的邊沿速率，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達(dá)到最佳效率，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)動強度、可調(diào)壓擺率（見圖3）和SPI。該器件的額定峰值和直流工作電壓為 DIN VDE V VD1500-0884，可用于 11 V 或 400 V 系統(tǒng)。圖800和圖4顯示了5 V/11 A時的600 mJ導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)能量。人們還可以注意到，在開啟時振鈴很小，在關(guān)閉時也有非常好的過沖控制。

圖3.利用ADuM4177控制壓擺率。

圖5.ADuM4177驅(qū)動CAB450M12XM3，在11 V/600 A時關(guān)斷460 mJ。

不折不扣的穩(wěn)健性

短路是基于SiC的功率開關(guān)（MOSFET）的主要障礙，因為芯片尺寸更小，熱包絡(luò)非常嚴(yán)格。柵極驅(qū)動器提供對電動汽車動力總成可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化至關(guān)重要的短路保護(hù)。

高性能柵極驅(qū)動器已在實際測試中證明了其價值。在短路檢測時間和總故障清除時間等關(guān)鍵參數(shù)中，性能可分別低至300 ns和800 ns。為了提高安全性和保護(hù)性，測試結(jié)果證明了可調(diào)節(jié)的軟關(guān)斷功能對于系統(tǒng)平穩(wěn)運行至關(guān)重要。

進(jìn)入磁阻（MR）電流傳感器技術(shù)

如圖1所示，逆變器控制環(huán)路需要檢測直流和相電流。使用SiC電源開關(guān)時，可以實現(xiàn)更高的開關(guān)速率和開關(guān)頻率，當(dāng)控制環(huán)路具有足夠的相位裕量時，這可以提高效率和更好地調(diào)節(jié)負(fù)載。為了在開關(guān)頻率下實現(xiàn)恒定響應(yīng)和低相位延遲，電流測量的頻率需要至少高出十倍頻程。這使得電流檢測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，實現(xiàn)最高性能的障礙

牽引逆變器中測量電流的傳統(tǒng)方法利用霍爾傳感器，霍爾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`敏度需要使用磁通量集中器（或磁芯）來放大磁場，以便可以對其進(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)計造成重大限制。這些模塊笨重、笨重且容易發(fā)生機械損壞，這可能會成為導(dǎo)致現(xiàn)場退貨的可靠性問題。此外，磁芯中磁性材料的存在會對頻率響應(yīng)產(chǎn)生強烈影響，除非使用特殊且昂貴的材料。如今，這些模塊的帶寬限制在50 kHz至100 kHz。這種帶寬限制需要在控制環(huán)路中做出妥協(xié)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的整體降低。

使用分流解決方案的挑戰(zhàn)

另一種測量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)存在多年，隨著時間的推移不斷改進(jìn)，以實現(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是自發(fā)熱（功耗為R×I2）和在某些應(yīng)用中需要隔離?？梢酝ㄟ^降低分流電阻來降低自發(fā)熱，但這也會降低目標(biāo)信號的幅度。分流器還具有寄生電感，這限制了要測量的電流的帶寬。由于這些限制，電力系統(tǒng)必須尋求不同的技術(shù)來解決其當(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：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。然而，MR 傳感器可能比霍爾傳感器靈敏得多，因此無需磁芯。沒有這種屏障，MR傳感器本身的固有功能，如高帶寬、精度和低偏移，允許更簡單的系統(tǒng)設(shè)計。

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。ADI公司的解決方案利用MR傳感器的設(shè)計靈活性來減弱此類干擾的影響。ADI提供設(shè)計指南和工具，幫助工程師設(shè)計無芯電流測量系統(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具有更高的帶寬、精度和更輕便，而且還基于標(biāo)準(zhǔn)PCB，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和集成成本。它提出了一個環(huán)形架構(gòu)，由六個各向異性磁阻（AMR）傳感器組成，排列成一個圓圈，以積分要測量的磁場。磁場的積分將抑制外部雜散場，從而實現(xiàn)對均勻雜散場的高抑制和低串?dāng)_。每個單獨的傳感器都感測放置在電路板中心的導(dǎo)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。

使用的傳感器數(shù)量可以變化，以實現(xiàn)對雜散場或環(huán)內(nèi)導(dǎo)線放置公差的不同魯棒性。環(huán)的直徑可以放大或縮小，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)布面向儀器儀表和工業(yè)市場的ADAF1080。ADAF1080具有高磁性范圍、固有隔離測量以及整個壽命和溫度范圍內(nèi)的零失調(diào)特性，可在閉環(huán)系統(tǒng)中實現(xiàn)低輸出紋波和高效率，為下一代電流測量鋪平道路。ADAF1080可實現(xiàn)非接觸式和非內(nèi)核電流測量，帶寬為3 dB，最高可達(dá)2 MHz。 總之，這些性能提高了逆變器效率，從而延長了車輛的續(xù)航里程。

電源管理

在實現(xiàn)最高性能的道路上，EV 處于“開啟”、“待機”或“睡眠”模式，每一瓦都很重要。尖端的電源管理解決方案可以進(jìn)一步提高車輛的整體效率，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/高壓應(yīng)用的最佳EMC性能。

高壓反激式電路的設(shè)計挑戰(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。從高壓電池產(chǎn)生本地低壓軌起著關(guān)鍵作用。在傳統(tǒng)的隔離式高壓反激式轉(zhuǎn)換器中，使用光耦合器將穩(wěn)壓信息從副邊基準(zhǔn)電壓源電路傳輸?shù)匠跫墏?cè)，可實現(xiàn)嚴(yán)格的穩(wěn)壓。問題在于，光耦合器大大增加了隔離設(shè)計的復(fù)雜性：存在傳播延遲、老化和增益變化，所有這些都使電源環(huán)路補償復(fù)雜化，并可能降低可靠性。此外，在啟動期間，需要泄放電阻或高壓啟動電路來初始為IC上電。除非在啟動元件上增加額外的高壓MOSFET，否則泄放電阻器是造成不受歡迎的功率損耗的來源。

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，無需光耦合器即可進(jìn)行穩(wěn)壓。輸出電壓由兩個外部電阻器和第三個可選溫度補償電阻器設(shè)置。邊界模式操作有助于實現(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，因此無需外部負(fù)載補償電阻器和電容器。因此，該解決方案的元件數(shù)量較少，大大簡化了隔離式反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。

啟動優(yōu)化

采用內(nèi)部耗盡模式 MOSFET（具有負(fù)閾值電壓且通常導(dǎo)通），無需外部泄放電阻器或其他啟動元件。本地12 V電容充電后，耗盡模式MOSFET關(guān)斷以降低功率損耗。

超低靜態(tài)電流

為了實現(xiàn)超低靜態(tài)電流，應(yīng)實施幾種機制。輕負(fù)載時應(yīng)降低開關(guān)頻率，同時保持最小電流限值，以便在適當(dāng)采樣輸出電壓的同時降低電流。在待機模式下，LT16的開關(guān)頻率（3.5 kHz至220 kHz）降低0×并將預(yù)載電流保持在全輸出功率的1.8316%以下，靜態(tài)電流低于100 μA。

極寬輸入范圍（18 V 至 1000 V）

LT8316 的額定工作電壓為 V在最高 600 V，但可以通過將齊納二極管與 V 串聯(lián)來擴(kuò)展在PIN 以進(jìn)一步提高解決方案的可擴(kuò)展性。齊納二極管兩端的壓降降低了施加到芯片上的電壓，使電源電壓超過600 V。220 V 齊納二極管與 V 串聯(lián)在引腳，啟動時的最小電源電壓為260 V，給予或接受，考慮齊納二極管的電壓容差。請注意，啟動后，LT8316將在電源電壓低于260 V的情況下正常工作。

圖7顯示了不同輸入電壓下的效率，反激式轉(zhuǎn)換器實現(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)也保持嚴(yán)格，如圖8所示。

圖8.LT8316反激式轉(zhuǎn)換器的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)。

電池管理系統(tǒng)

BMS 密切監(jiān)視和管理多節(jié)電池串的充電狀態(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)控每個單獨的電池單元和整體電池組參數(shù)對于實現(xiàn)最大可用容量至關(guān)重要，同時確保安全可靠的運行。BMS的準(zhǔn)確性將從電池中釋放出更多的能量，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使用壽命，從而降低擁有成本。

2009年，凌力爾特（現(xiàn)為ADI的一部分）將首款蜂窩監(jiān)控器IC推向市場。它集成了運算放大器、多路復(fù)用器和ADC，用于測量電池電壓和溫度。10多年后，ADI在100多種車型中推出了經(jīng)過五代道路驗證的器件，引領(lǐng)著BMS行業(yè)。

生命周期總測量誤差 （LTME）

我們最新發(fā)布的BMS產(chǎn)品是ADBMS6815（見圖9），它具有業(yè)界領(lǐng)先的1.5 mVLTME。相對于行業(yè)基準(zhǔn)，LTME低了近2×。

圖9.ADBMS6815 BMS多蜂窩解決方案的應(yīng)用圖。

汽車原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商已經(jīng)確認(rèn)，LTME的每mV對SOC估計的影響超過1%，要求原始設(shè)備制造商在報告車輛的剩余范圍時過于保守。對于價值 5 美元的高壓電池組，SOC 估計值中 9000% 的誤差可能會使系統(tǒng)損失 ~1 美元/mV 誤差。LTME包括熱滯后、焊料回流、量化誤差（噪聲）、對濕度的敏感性和長期漂移。

在使用800個16通道器件的12 V系統(tǒng)中，相對于ADBMS4的6815 mV誤差（現(xiàn)有技術(shù)），誤差為1.5 mV，總擁有成本高出~225美元，同時能夠更好地估算SOC并延長EV續(xù)航里程。

ADBMS6815具有兩個16位Σ-Δ型ADC，每個ADC在26個通道上多路復(fù)用，并具有27個可編程過采樣比，允許濾波低至300 Hz和高達(dá)6815 kHz。ADBMS0具有50 mA的電池平衡能力，無需外部放電開關(guān)，每個BMS IC也節(jié)省了~<>.<>美元。此外，該器件完全支持最新的要求，即使在車輛鑰匙關(guān)閉時也能監(jiān)控電池，通過監(jiān)控電池來提供電池?zé)釂栴}的早期預(yù)警。

無線 BMS （wBMS）

wBMS解決方案代表了三個技術(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)解決方案針對汽車電池管理用例進(jìn)行定制，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頻段運行，是一種冗余星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以直接與 1 個管理器中的 2 個通信。該網(wǎng)絡(luò)還支持 2 跳故障轉(zhuǎn)移模式，在該模式下，如果發(fā)生通信故障，節(jié)點可以通過另一個節(jié)點跳回網(wǎng)絡(luò)管理器來繼續(xù)通信。wBMS系統(tǒng)是專為電池組和電動汽車環(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頻 MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層集成在一起，可提供確定性以及路徑、時間和頻率分集。這些關(guān)鍵特性相結(jié)合，克服了操作環(huán)境中的鏈路和干擾挑戰(zhàn)。

消除電池組線束是wBMS區(qū)別于BMS的主要特征之一（見圖10和圖11）。根據(jù)電池組架構(gòu)的不同，這可以為下一代電動汽車節(jié)省高達(dá)90%的布線和高達(dá)15%的體積，從而減少電池組材料并有可能實現(xiàn)更高的（能量）密度組。

圖 11.wBMS 系統(tǒng)中典型的 12 個模塊無線包。

移除電池組通信線束也消除了對汽車設(shè)計的硬約束。這使得模塊化包裝系統(tǒng)能夠簡化包裝、自動化/機器人組裝以及時間和成本效益的制造過程。更簡單、更模塊化的電池組設(shè)計為在電動汽車產(chǎn)品組合中重復(fù)使用設(shè)計提供了可能性，并帶來了設(shè)計靈活性，不受大量線束和連接器組件的限制。

wBMS是2德·續(xù)航電池組

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壽命至關(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，wBMS使這易于實施。

在使用壽命開始時，電池模塊在電池組組裝之前可能會在運輸或倉庫庫存中花費很長時間。無線 BMS 可實現(xiàn)連續(xù)的開路電壓和溫度監(jiān)控，從而在故障成為問題之前識別其早期故障。此外，在電池組組裝之前和整個電池生命周期中，還可以在獨立的無線電池模塊上連續(xù)存儲/更新壽命可追溯性和監(jiān)控。這些功能與消除通信線束相結(jié)合，可以更容易、經(jīng)濟(jì)高效地過渡到電池組的第二次壽命。

結(jié)論

ADI公司的動力總成創(chuàng)新解決方案，例如具有超過150 V/nsCMTI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。

需要注意的是，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/或效率低下而完全抵消。包含各種設(shè)計考慮因素的系統(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檢測、最高水平的汽車安全性、最廣泛的EV BMS器件產(chǎn)品組合以及最具創(chuàng)新性的多功能系統(tǒng)級解決方案，應(yīng)對電動汽車設(shè)計挑戰(zhàn)。

盡管OEM采用wBMS的挑戰(zhàn)在于規(guī)劃對設(shè)計、驗證和制造基礎(chǔ)設(shè)施的重大投資，但從長遠(yuǎn)來看，wBMS預(yù)計將更具成本效益和優(yōu)勢，為提高電池能量密度、提高設(shè)計重用和靈活性以及實現(xiàn)擴(kuò)展功能提供了可能性。

審核編輯：郭婷