电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）的市场份额在 2020 年可能达到 30%。这种市场吸引力是由于对内燃机（ICE）汽车环境影响的担忧增加以及降低燃料成本的努力。因此，汽车制造商正在投资于其车辆的电气化，从而在电池技术和电池组安全性方面取得了重大进步。

 

本文阐述了电池监测集成电路如何提高电动汽车和混合动力汽车的安全性。

 

电动汽车 / 混合动力汽车的电池管理系统

电池驱动的汽车用不使用汽油作为能源的电动机取代了传统的内燃机。相反，电池储存电能供电动机使用。电动汽车由许多部件组成，包括：

车载充电器，直接从电网给电池充电；

一个 DC/DC 转换器，它将功率转换为较低的电压，从而为汽车电子设备（如加热器和自动车窗）提供动力；

电源逆变器，将电池的能量传输到电动机；

监测电池组电压、电流和温度的电池监测器和电流传感器；

以及一个主微控制器（MCU），充当“大脑”并协调电动汽车内的所有动作。

 

图 1 展示了电动汽车电池管理系统（BMS）的高层架构。

 

图 1 电池管理系统有助于监测和控制电动汽车 / 电动汽车的高压电池组。

 

在典型的应用中，电池监视器堆叠成菊花链，如图 2 所示。每个设备通过感应线与电池芯相连，以监控电池组中的每一个电池。堆栈中的每个监视器都通过通信线路将信息从堆栈顶部传输到底部设备。为了方便主机 MCU 和堆栈设备之间的通信，需要桥接设备。

 

图 2 电池监视器堆叠成菊花链配置。

 

使用电池监控器提高安全性

热失控是 HEV/EV 系统安全问题的主要原因，因为它会导致不可阻挡的连锁反应。当温度迅速上升到 400℃时，储存在电池中的能量会突然释放出来。这会导致电池变成气态，并可能引发火灾。

 

热失控可由以下几个因素引起：

如果电池在事故后受到物理损坏或有物体穿透电池组，则电池内部短路。

一种外部短路，可以释放无限量的能量，从而使电池迅速升温。

电池过充电超过其最大允许电压。

高充放电电流。

 

为了防止这些事件的发生，监测电池是至关重要的。电池监控器的设计旨在解决所有这些问题，并帮助电动汽车和混合动力汽车更安全。

 

电压监测

不准确报告的电压可能导致 MCU 对电池过度充电，可能损坏电池或导致热失控。此外，测量冗余对于提高安全性和防止故障或随时间推移而漂移至关重要。两个完全独立的模拟 - 数字转换器（ADC）和两个独立的路径可以帮助实现汽车安全完整性等级 D（ASIL-D）符合 ISO 26262 标准。

 

冗余设计用于检测其中一个 ADC 中的任何故障，并用于从独立 ADC 对测量精度进行双重检查。在安全诊断过程中，如果测量出现故障或偏移，将使用具有完全独立路径和基准的辅助 ADC，对同一个单元的测量值进行双重检查和测量。

 

以 Texas Instruments 公司的 BQ79606A-Q1 汽车精密电池监控器、平衡器和集成保护器为例：每个通道有六个专用的 delta-sigma ADC 和一个用于冗余的辅助 ADC。该器件有一组窗口比较器，它独立于主采集路径为所有六个通道提供单元电压监测，并与主 ADC 路径并行工作。此比较器功能与 ADC 功能完全独立；因此，即使 ADC 功能失效，模拟比较器仍会标记欠压和过压比较器阈值的交叉。

 

电池温度监测

锂离子电池不能承受极端温度。电池组的典型容许温度在 0°C 到 60°C 之间。除了外部因素外，一些开关元件消耗功率并释放部分功率作为热量，从而导致电池外壳的热增加。监测和控制电池组温度对于维护电池组的健康和安全以及防止热失控至关重要。

 

今天的电池监视器有几个通用的输入 / 输出（gpio）用于温度传感。BQ79606A-Q1 精密电池监测器可在六通道电池组中测量多达六个恒温器，精度高，提供大量冗余，以防止温度监测故障。该设备使用一个集成的窗口比较器来监控 GPIO 的输入，以确定电池的温度过高和过低。

 

启用时，比较器循环通过每个温度感应输入，并将电压与编程的阈值进行比较。该比较器功能与 ADC 功能完全独立；即使 ADC 功能失效，模拟比较器也会标记出温度过低和过高的比较器阈值的交叉点。主机 MCU 将立即通过故障线路通知 MCU，以触发冷却系统，并在达到不可忍受的温度之前采取预防措施。

 

通信鲁棒性和速度

如前所述，电池监视器可堆叠成菊花链配置。每个设备将其信息通过下游的另一个设备传递到主机。堆栈中的设备和主机 MCU 之间的通信线路必须是稳定的，以确保在短短几毫秒内进行快速和完整的诊断。MCU 应该与堆栈中的任何设备进行可靠通信，以读取、配置和执行诊断。

 

然而，电动汽车的噪音环境对电池监控器提出了真正的挑战。为了解决这个问题，TI 的电池监视器使用了两个引脚 COM*P 和 COM*N 的差分信号。如图 3 所示，BQ79606A-Q1 电池管理芯片的 COM*P 和 COM*N 引脚在不同的噪声环境中被监控。

 

图 3 这是菊花链通信性能在噪声存在下的外观。

 

在所有频率下，信号完整性保持不变，差分噪声消除。驱动器可承受高达±20V 的噪声振幅。此外，内置于通信信号中的诊断机制有助于确保如果由于某种原因信号被破坏，设备将检测到通信故障。这种体系结构确保了与主机的可靠和快速通信。

 

锂离子电池对过度充电、极端温度和物理损伤非常敏感。任何一种情况都可能导致电池的热失控。为了防止电池过充电，电池监测仪已经发展成高度安全和精确地监测电池电压。通过多重冗余对组件进行温度监控，以确保组件温度在可接受的范围内。堆栈监视器之间的通信设计为能够承受噪声环境，并确保信息安全地传输到主 MCU。