如何優(yōu)化汽車電池管理系統(tǒng)的精密電池測量精度

隨著電池化學特性、可靠性和相關技術的日趨穩(wěn)定，汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）的設計也隨之不斷發(fā)展。如今，BMS設計人員已經(jīng)掌握了如何在電氣和外部條件均十分惡劣的行車環(huán)境下優(yōu)化BMS測量并實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。毫伏和毫安精度的電池測量仍是重點，并需要實時同步采集這些電壓和電流數(shù)據(jù)用以功率計算。

此外，BMS還須評估每次測量的有效性，因為它需要最大限度地提高數(shù)據(jù)的完整性，以識別、區(qū)分并根據(jù)錯誤或可疑數(shù)據(jù)進行判斷。經(jīng)過持續(xù)探索和優(yōu)化，BMS IC制造商已可以提供關鍵體系架構，以滿足電動汽車（EV）電池管理系統(tǒng)對全面監(jiān)控，嚴格的安全性，可靠性和高性能的要求。

由于電池性能會隨正常使用而退化，因此BMS IC的選擇對于延長電池組的使用壽命也至關重要。在工作過程中，電池組健康狀態(tài)（SOH）的準確性可以幫助車輛電池管理電子設備在電池使用與供電控制上進行優(yōu)化，以延長電池組的剩余壽命。 電池管理IC能否在車輛使用壽命內(nèi)保持其精確的測量精度，是直接影響電池管理設計的關鍵要素。電池電芯測量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會直接影響車輛的行駛里程和電池壽命，進而影響汽車制造商的維修及經(jīng)營成本。

為電動汽車供電的鋰離子電池通常有8-10年的保修期。此后，則認為其不再適用于車輛牽引，但電池可能仍保持其原始容量的80%。因此可以將車輛使用過的舊電池組以指定的剩余壽命遷移到其它需自耗電池的應用中，進行二次使用。

對汽車制造商而言，成功的BMS需要在系統(tǒng)設計初期就仔細選擇BMS IC。制造商需要了解在整個操作環(huán)境和車輛使用壽命的過程中，特別是高電壓電池和逆變器噪聲等惡劣的電磁干擾（EMI）環(huán)境下，各個IC供應商所提供的產(chǎn)品測量精度與穩(wěn)定性之間的差異。

優(yōu)良的鋰離子監(jiān)測系統(tǒng)四個最重要的標準：

? 精度——對于具有平坦放電曲線的電池類型（如磷酸鐵鋰電池），電池精度是最重要的標準；

? 全面診斷——除了監(jiān)測每個電芯的狀態(tài)外，系統(tǒng)還須不間斷地對其自身進行功能安全檢測，以確保每個IC都以預期的精度運行；

? 可靠通信——監(jiān)控系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)都必須協(xié)調(diào)運行，因此必須確保系統(tǒng)間通信的可靠性，而大多數(shù)傳統(tǒng)通信方法則無法滿足嘈雜行車環(huán)境中這一需求。

? 安全性——系統(tǒng)通過適當?shù)毓芾礓囯x子電池避免故障與安全問題。發(fā)生故障時，系統(tǒng)必須采取適當?shù)目刂拼胧瑫r避免誤報。

磷酸鐵鋰電池由于其低內(nèi)部阻抗而適用于較小的電池組。這種電池類型使系統(tǒng)工程師需要檢測電池放電時電池電壓的細微變化。而測量這些微小變化需要復雜的模擬前端（AFE）、準確且穩(wěn)定的電壓基準以及精密的模數(shù)轉換器（ADC），這對BMS IC設計人員來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。

多電池平衡IC中的關鍵要素

準確的電壓基準是所有BMS IC的核心。芯片所采用的參考拓撲類型各不相同，帶隙結構是最常用的，它們在精度與芯片面積之間，以及整個溫度范圍內(nèi)的精度都做了最佳的權衡。例如，ISL78714鋰電池組管理IC使用了精確的帶隙基準設計，這一設計具有良好的應用記錄，并非常適合要求苛刻的汽車應用。該技術穩(wěn)定、成熟、特點鮮明，并經(jīng)過多年應用及優(yōu)化。準確的電壓基準直接影響汽車制造商的保修和經(jīng)營成本指標，是設計人員計算車輛電池壽命時考慮的一個關鍵因素。

除了精度基準，用于測量精度的另一個關鍵功能模塊是ADC，主電池電壓測量模塊。兩種最流行和最常用的ADC類型是逐次逼近寄存器（SAR）和delta-sigma。在這兩種技術中，SAR具有最快的采樣率，能夠提供高速的電壓轉換和出色的抗噪性，但往往需要更大的芯片面積。SAR ADC是可以提供數(shù)據(jù)采集速度、精度、強度和抗電磁干擾能力組合的最佳選擇。

IC設計人員也會傾向于delta-sigma ADC，因為它們通常需要較小的芯片面積且相對容易實現(xiàn)。但由于使用了抽取濾波器，它們的速度往往較慢，這會降低采樣率和數(shù)據(jù)采集速度。采用delta-sigma ADC時的另一個考慮因素是在受到EMI干擾時趨于飽和，這可能導致在準確報告電芯電壓時出現(xiàn)延遲（通常為三個完整的轉換周期）。

單個電池的接口由AFE管理，該AFE包括輸入緩沖器、電平移位器和故障檢測電路。當電池最初連接到BMS時，AFE是處理熱插拔瞬變的關鍵。BMS IC采用全差分AFE設計，可在不影響相鄰電池測量的情況下測量負輸入電壓（±5V），這在需要總線互聯(lián)的系統(tǒng)中十分有利。為提高瞬態(tài)條件下的強度，電池電壓輸入端增加了一個外部低通濾波器。

輸入濾波的設計經(jīng)過優(yōu)化，在不影響速度或精度的同時獲得最大的EMI和熱插拔抗擾度。相比之下，使用雙極而非電荷耦合AFE的集成電路的精度和長期偏移會因為外部輸入濾波器選擇的組件值而大大降低。圖1顯示了BMS IC的三個功能模塊及其互聯(lián)的簡化圖示。

圖1. ISL78714鋰電池組管理器的簡化框圖

穩(wěn)定的線性帶隙基準、SAR ADC和全差分AFE相結合，使鋰電池組管理器具有快速的數(shù)據(jù)采集能力、強度和精度。BMS IC的高精確度并不僅僅依靠出廠時的測量精度值，還需要在安裝到印刷電路板（PCB）后進行獨立驗證。圖2a和2b顯示了集成電路在電池電壓和溫度范圍內(nèi)的精度，這對于電池系統(tǒng)設計人員而言至關重要，因為他們需要系統(tǒng)誤差預算值來保證車輛的使用壽命，并須考慮可靠且可預測的精度指標。

圖2a 圖2b

圖2. 30塊BMS板組裝1000小時后的測試數(shù)據(jù)

因此，建議設計人員仔細檢查，并應在每個IC供應商提供的數(shù)據(jù)表之間詳細比較，尤其是精度、數(shù)據(jù)采集速度和輸入濾波器要求（包括它們對精度的影響）等方面。

PCB布板與配置的注意事項

焊接會在PCB上產(chǎn)生應力，使BMS集成電路在X和Y兩個平面發(fā)生彎曲，從而在硅特性中產(chǎn)生亞原子應力，進而影響集成電路的性能。由于基準是測量電路的關鍵因素，其特性的任何變化都會直接影響ADC的精度，這是精密芯片行業(yè)中眾所周知的現(xiàn)象。芯片設計者可通過將敏感電路小心地放置在不太可能受焊接和其它制造應力影響的芯片區(qū)域中，來解決這一問題。

或者，IC設計人員可以選擇更昂貴的基準設計技術，例如在同一IC封裝內(nèi)放置單獨的基準裸片或使用單獨的離散基準芯片。無論使用哪種IC技術，PCB的設計和制造階段都至關重要。因此，精確的IC布板技術以及對芯片安裝和焊接方案的細致考量，會幫助緩解很多問題。

例如，BMS設計人員遵循ISL78714推薦的PCB布板指南和焊接回流曲線，會看到IC板級單元讀數(shù)精度和長期漂移特性均為對數(shù)且可預測。該IC的長期漂移性能數(shù)據(jù)來自25°C的實驗室實際測試及加速的壽命測試。完整使用壽命精度是初始板級精度和壽命偏移（例如，總和平均值和RSS標準偏差）的矢量和。圖3顯示了在15年的使用壽命內(nèi)典型的電池讀取偏差的結果。

圖3. 在±6σ（焊后）下的初始板級電池誤差 vs. 使用壽命

結論

電池管理設計的一個關鍵因素是電池性能，而在車輛使用壽命中，BMS IC是否有能力保持其測量精度會直接影響電池性能。電池電量測量中的任何偏差或不穩(wěn)定都會直接影響車輛的行駛里程和電池壽命，進而影響汽車制造商的保修及經(jīng)營成本。有各種具有不同精度測量拓撲和技術的BMS IC可供選用，因此系統(tǒng)設計人員必須仔細考慮如何選擇和使用。優(yōu)化BMS設計并了解測量、方案和拓撲結構的潛在差異，以及它們之間相互關系，對于選擇最適合其EV應用的BMS 芯片至關重要。