本文闡述了電池監測集成電路如何提高電動汽車和混合動力汽車的安全性。

 

電動汽車/混合動力汽車的電池管理係統

 

電dian池chi驅qu動dong的de汽qi車che用yong不bu使shi用yong汽qi油you作zuo為wei能neng源yuan的de電dian動dong機ji取qu代dai了le傳chuan統tong的de內nei燃ran機ji。相xiang反fan，電dian池chi儲chu存cun電dian能neng供gong電dian動dong機ji使shi用yong。電dian動dong汽qi車che由you許xu多duo部bu件jian組zu成cheng，包bao括kuo：

 

車載充電器，直接從電網給電池充電；

 

一個DC/DC轉換器，它將功率轉換為較低的電壓，從而為汽車電子設備（如加熱器和自動車窗）提供動力；

 

電源逆變器，將電池的能量傳輸到電動機；

 

監測電池組電壓、電流和溫度的電池監測器和電流傳感器；

 

以及一個主微控製器（MCU），充當“大腦”並協調電動汽車內的所有動作。

 

圖1展示了電動汽車電池管理係統（BMS）的高層架構。

 

圖1電池管理係統有助於監測和控製電動汽車/電動汽車的高壓電池組。

 

在典型的應用中
，電池監視器堆疊成菊花鏈
，如圖2所(suo)示(shi)。每(mei)個(ge)設(she)備(bei)通(tong)過(guo)感(gan)應(ying)線(xian)與(yu)電(dian)池(chi)芯(xin)相(xiang)連(lian)，以(yi)監(jian)控(kong)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)。堆(dui)棧(zhan)中(zhong)的(de)每(mei)個(ge)監(jian)視(shi)器(qi)都(dou)通(tong)過(guo)通(tong)信(xin)線(xian)路(lu)將(jiang)信(xin)息(xi)從(cong)堆(dui)棧(zhan)頂(ding)部(bu)傳(chuan)輸(shu)到(dao)底(di)部(bu)設(she)備(bei)。為(wei)了(le)方(fang)便(bian)主(zhu)機(ji)MCU和堆棧設備之間的通信
，需要橋接設備。

 

圖2電池監視器堆疊成菊花鏈配置。

 

使用電池監控器提高安全性

 

熱失控是HEV/EV係統安全問題的主要原因，因為它會導致不可阻擋的連鎖反應。當溫度迅速上升到400℃時，儲存在電池中的能量會突然釋放出來。這會導致電池變成氣態，並可能引發火災。

 

熱失控可由以下幾個因素引起：

 

如果電池在事故後受到物理損壞或有物體穿透電池組，則電池內部短路。

 

一種外部短路，可以釋放無限量的能量，從而使電池迅速升溫。

 

電池過充電超過其最大允許電壓。

 

高充放電電流。

 

weilefangzhizhexieshijiandefasheng，jiancedianchishizhiguanzhongyaode。dianchijiankongqideshejizhizaijiejuesuoyouzhexiewenti
，bingbangzhudiandongqichehehunhedongliqichegenganquan。

 

電壓監測

 

不準確報告的電壓可能導致MCU對dui電dian池chi過guo度du充chong電dian，可ke能neng損sun壞huai電dian池chi或huo導dao致zhi熱re失shi控kong。此ci外wai，測ce量liang冗rong餘yu對dui於yu提ti高gao安an全quan性xing和he防fang止zhi故gu障zhang或huo隨sui時shi間jian推tui移yi而er漂piao移yi至zhi關guan重zhong要yao。兩liang個ge完wan全quan獨du立li的de模mo擬ni-數字轉換器（ADC）和兩個獨立的路徑可以幫助實現汽車安全完整性等級D（ASIL-D）符合ISO 26262標準。

 

冗餘設計用於檢測其中一個ADC中的任何故障，並用於從獨立ADC對測量精度進行雙重檢查。在安全診斷過程中，如果測量出現故障或偏移
，將使用具有完全獨立路徑和基準的輔助ADC，對同一個單元的測量值進行雙重檢查和測量。

 

以Texas Instruments公司的BQ79606A-Q1汽車精密電池監控器
、平衡器和集成保護器為例：每個通道有六個專用的delta-sigma ADC和一個用於冗餘的輔助ADC。該器件有一組窗口比較器

，它獨立於主采集路徑為所有六個通道提供單元電壓監測，並與主ADC路徑並行工作。此比較器功能與ADC功能完全獨立；因此，即使ADC功能失效，模擬比較器仍會標記欠壓和過壓比較器閾值的交叉。

 

電池溫度監測

 

鋰離子電池不能承受極端溫度。電池組的典型容許溫度在0°C到60°Czhijian。chulewaibuyinsuwai，yixiekaiguanyuanjianxiaohaogonglvbingshifangbufengonglvzuoweireliang，congerdaozhidianchiwaikederezengjia。jiancehekongzhidianchizuwenduduiyuweihudianchizudejiankangheanquanyijifangzhireshikongzhiguanzhongyao。

 

今天的電池監視器有幾個通用的輸入/輸出（gpio）用於溫度傳感。BQ79606A-Q1精(jing)密(mi)電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)器(qi)可(ke)在(zai)六(liu)通(tong)道(dao)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)測(ce)量(liang)多(duo)達(da)六(liu)個(ge)恒(heng)溫(wen)器(qi)
，精(jing)度(du)高(gao)，提(ti)供(gong)大(da)量(liang)冗(rong)餘(yu)，以(yi)防(fang)止(zhi)溫(wen)度(du)監(jian)測(ce)故(gu)障(zhang)。該(gai)設(she)備(bei)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)集(ji)成(cheng)的(de)窗(chuang)口(kou)比(bi)較(jiao)器(qi)來(lai)監(jian)控(kong)GPIO的輸入，以確定電池的溫度過高和過低。

 

啟用時，比較器循環通過每個溫度感應輸入
，並將電壓與編程的閾值進行比較。該比較器功能與ADC功能完全獨立；即使ADC功能失效
，模擬比較器也會標記出溫度過低和過高的比較器閾值的交叉點。主機MCU將立即通過故障線路通知MCU，以觸發冷卻係統，並在達到不可忍受的溫度之前采取預防措施。

 

通信魯棒性和速度

 

如前所述，電池監視器可堆疊成菊花鏈配置。每個設備將其信息通過下遊的另一個設備傳遞到主機。堆棧中的設備和主機MCU之間的通信線路必須是穩定的
，以確保在短短幾毫秒內進行快速和完整的診斷。MCU應該與堆棧中的任何設備進行可靠通信，以讀取、配置和執行診斷。

 

然而，電動汽車的噪音環境對電池監控器提出了真正的挑戰。為了解決這個問題，TI的電池監視器使用了兩個引腳COM*P和COM*N的差分信號。如圖3所示，BQ79606A-Q1電池管理芯片的COM*P和COM*N引腳在不同的噪聲環境中被監控。

 

圖3這是菊花鏈通信性能在噪聲存在下的外觀。

 

在所有頻率下，信號完整性保持不變，差分噪聲消除。驅動器可承受高達±20Vdezaoshengzhenfu。ciwai
，neizhiyutongxinxinhaozhongdezhenduanjizhiyouzhuyuquebaoruguoyouyumouzhongyuanyinxinhaobeipohuai，shebeijiangjiancedaotongxinguzhang。zhezhongtixijiegouquebaoleyuzhujidekekaohekuaisutongxin。

 

鋰離子電池對過度充電
、極(ji)端(duan)溫(wen)度(du)和(he)物(wu)理(li)損(sun)傷(shang)非(fei)常(chang)敏(min)感(gan)。任(ren)何(he)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)都(dou)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)的(de)熱(re)失(shi)控(kong)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)過(guo)充(chong)電(dian)
，電(dian)池(chi)監(jian)測(ce)儀(yi)已(yi)經(jing)發(fa)展(zhan)成(cheng)高(gao)度(du)安(an)全(quan)和(he)精(jing)確(que)地(di)監(jian)測(ce)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)。通(tong)過(guo)多(duo)重(zhong)冗(rong)餘(yu)對(dui)組(zu)件(jian)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)監(jian)控(kong)，以(yi)確(que)保(bao)組(zu)件(jian)溫(wen)度(du)在(zai)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)。堆(dui)棧(zhan)監(jian)視(shi)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)通(tong)信(xin)設(she)計(ji)為(wei)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)噪(zao)聲(sheng)環(huan)境(jing)
，並(bing)確(que)保(bao)信(xin)息(xi)安(an)全(quan)地(di)傳(chuan)輸(shu)到(dao)主(zhu)MCU。

 

 

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