【導(dǎo)讀】倒計(jì)時(shí)已經(jīng)開始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車將在未來幾年徹底改變整個(gè)汽車行業(yè)——這一變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了網(wǎng)絡(luò)訪問或方向盤和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更清潔、更環(huán)保的新交通時(shí)代，鋰離子（Li-ion）電池和電池管理系統(tǒng)將成為電動(dòng)汽車（e-mobility）的關(guān)鍵。
汽車設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)，以確保安全和長(zhǎng)電池壽命，而無需復(fù)雜的電路。
倒計(jì)時(shí)已經(jīng)開始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車將在未來幾年徹底改變整個(gè)汽車行業(yè)——這一變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了網(wǎng)絡(luò)訪問或方向盤和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更清潔、更環(huán)保的新交通時(shí)代，鋰離子（Li-ion）電池和電池管理系統(tǒng)將成為電動(dòng)汽車（e-mobility）的關(guān)鍵。
據(jù)專家介紹，這些系統(tǒng)將在未來幾年改變我們的出行方式，重新設(shè)計(jì)移動(dòng)、智能城市和互動(dòng)社區(qū)的未來。對(duì)聯(lián)網(wǎng)汽車（也許是高速5G網(wǎng)絡(luò)）的日益關(guān)注已經(jīng)加速，因?yàn)樗鼈儗⒅饕请妱?dòng)的。
向電動(dòng)、互聯(lián)和自動(dòng)駕駛車輛演進(jìn)所需的新組件需求將圍繞牽引力（電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和變速箱組件）、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、自主功能（自適應(yīng)懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)、視覺傳感器）、新材料的應(yīng)用和乘客艙設(shè)計(jì)（包括增加內(nèi)部絕緣以及手勢(shì)識(shí)別和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器）。
然而，電池是任何電動(dòng)汽車（EV）跳動(dòng)的心臟。為了讓聯(lián)網(wǎng)汽車證明其智能，它必須通過監(jiān)測(cè)和控制電池電量來優(yōu)化其功耗。
主要關(guān)注點(diǎn)在于功耗，這是鋰電池逐漸耗散能量的過程，這些能量是由與電氣系統(tǒng)相關(guān)的潛在吸收引起的，這些電氣系統(tǒng)即使在車輛關(guān)閉時(shí)仍保持活動(dòng)狀態(tài)：安全系統(tǒng)、車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息處理。每天的能量損失可能高達(dá)1%至2%。因此，有必要定期檢查主電池組的充電狀態(tài)是否最佳。
多年來，鋰離子電池在相對(duì)于其尺寸和重量所能提供多少能量方面的效率已經(jīng)大大提高。然而，研究人員仍然面臨著提高功率密度、耐用性、成本、充電時(shí)間和安全性的挑戰(zhàn)。監(jiān)測(cè)電氣性能是鋰離子電池應(yīng)用成功的關(guān)鍵。
汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)一種電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保安全運(yùn)行、長(zhǎng)電池壽命以及低壓和高壓域的分離，而無需具有大量組件的復(fù)雜電路。
電動(dòng)汽車
用電池鋰離子電池是未來移動(dòng)和節(jié)能形式的關(guān)鍵技術(shù)，并且由于更高的功率密度和更低的成本等特性而正在取得進(jìn)展。這些電動(dòng)汽車電池的大規(guī)模生產(chǎn)正在顯著增加，這主要是由于電動(dòng)汽車的趨勢(shì)。據(jù)幾位研究分析師稱，64年，這些電池中約有2018%是為全球電動(dòng)汽車生產(chǎn)的，到2025年，這一比例將上升到85%以上。
這種增長(zhǎng)也是由于它們變得越來越經(jīng)濟(jì)。根據(jù)在幾個(gè)電動(dòng)汽車論壇上提出的最新預(yù)測(cè)，到2021年，鋰離子電池系統(tǒng)的價(jià)格將下降到電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車競(jìng)爭(zhēng)的程度。
提供高性能所需的主要挑戰(zhàn)是增加續(xù)航里程、提高充電速度和降低維護(hù)成本。許多公司提供電力存儲(chǔ)解決方案，提供廣泛的工作溫度范圍，并擴(kuò)展混合動(dòng)力（HEV）、插電式混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車的范圍。先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)旨在提高能量密度。
鋰離子電池電芯有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)問題：一個(gè)是材料化學(xué)，另一個(gè)是電子，這意味著當(dāng)過度充電時(shí)，它會(huì)造成永久性損壞和過熱。因此，擁有BMS來提供保護(hù)和能量控制非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)上是電池系統(tǒng)的“大腦”;它測(cè)量和報(bào)告信息，這對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要，并保護(hù)其在各種操作條件下免受損壞。
電池管理系統(tǒng)
電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為支持長(zhǎng)時(shí)間的閑置。因此，模塊電路的備用電源必須比自放電電池消耗更少的能量，這大大降低了過度充電的風(fēng)險(xiǎn)。為了跟蹤EV/HEV的負(fù)載動(dòng)態(tài)，包括放電和充電工作模式，電子電池監(jiān)控組件以每秒50個(gè)樣本或更高的速率檢查電池電壓。這意味著來自電池組的原始數(shù)據(jù)流速率很高，有時(shí)60節(jié)電池組的有效載荷為96kbits/s。
電池單元的排列需要特別注意，因?yàn)樗鼈兊某叽绾椭亓繉?duì)車輛內(nèi)的維護(hù)和分配具有實(shí)際意義。按模塊組織的電池有助于分配重量并易于管理。
在實(shí)踐中，電動(dòng)汽車BMS的主要功能可以總結(jié)如下：
電池保護(hù)，防止在安全操作區(qū)域之外的操作
通過估計(jì)充電和放電操作期間的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）來監(jiān)控電池
通過平衡電池來優(yōu)化電池，以提高電池壽命和容量，從而優(yōu)化電動(dòng)汽車的行駛里程
集成電路解決方案
BMS可以監(jiān)控電池使用情況，從而優(yōu)化車輛的整體性能。該系統(tǒng)通過控制工作區(qū)域、平衡SOC和保護(hù)它來進(jìn)一步管理可充電電池。
根據(jù)聯(lián)合市場(chǎng)研究公司的數(shù)據(jù)，全球汽車電池管理系統(tǒng)市場(chǎng)按電池類型、車輛類型、連接拓?fù)浜偷貐^(qū)進(jìn)行細(xì)分。這個(gè)市場(chǎng)上有各種各樣的參與者，提供一系列產(chǎn)品。以下是一些示例。
英飛凌科技股份公司為汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中使用的鋰離子電池組提供TLE9012AQU多通道電池監(jiān)控和平衡系統(tǒng)IC。TLE9012AQU提供四個(gè)主要功能：電池電壓測(cè)量、溫度測(cè)量、電池平衡以及與主電池控制器的隔離通信。此外，TLE9012AQU提供了必要的診斷工具，以確保受控電池的正常運(yùn)行（圖1）。
ADI公司（ADI）基于AD7284管理板的BMS監(jiān)控2通道鋰離子電池，包括監(jiān)控堆疊電池所需的所有功能和診斷功能，包括檢測(cè)開路輸入、通信和電源故障（圖7284）。AD《》監(jiān)控系統(tǒng)非常適合監(jiān)控EV/HEV和固定電源應(yīng)用中的鋰離子電池。
AD7284的特點(diǎn)是多路復(fù)用電池電壓和輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量通道，支持《》至《》節(jié)電池管理單元、內(nèi)部溫度傳感器和控制定時(shí)器。四個(gè)輔助ADC輸入通道用于溫度測(cè)量和系統(tǒng)診斷。
具有14位分辨率的完整監(jiān)控系統(tǒng)集成了多個(gè)電壓輸入通道和一個(gè)輔助ADC。主板上的組件包括使用ADuM1201和ADuM5401數(shù)字隔離器隔離的電源和接口，以及通過ADP3303和ADP7104穩(wěn)壓器的電源。
瑞薩電子提供ISL78692和ISL78693汽車級(jí)單節(jié)電池充電器，可延長(zhǎng)鋰離子、鋰聚合物（Li-polymer）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）汽車緊急呼叫（eCall）系統(tǒng)中使用的電池。
ISL78692是一款集成式單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，能夠在低至2.65V的輸入電壓下工作（冷啟動(dòng)箱）。當(dāng)交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線性充電器，也可以與限流適配器配合使用，以最大程度地減少散熱。ISL78692具有充電電流熱折返功能，可在印刷電路板的散熱因空間限制而受到限制時(shí)保證安全操作（圖3）。
電池監(jiān)視器捕獲關(guān)鍵電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構(gòu)成了下一代高功率系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用）的完整監(jiān)控和平衡解決方案的一部分。
德州儀器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的時(shí)間內(nèi)提供高達(dá)200S的電池模塊電池電壓測(cè)量。集成的前端濾波器使系統(tǒng)能夠在電池輸入通道上使用簡(jiǎn)單的低電壓額定值差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)。它還帶有集成的電流測(cè)量功能，可選擇與電池電壓測(cè)量同步，以實(shí)現(xiàn)更好的SOC計(jì)算。該器件支持自主內(nèi)部電池平衡，具有溫度監(jiān)控功能，可自動(dòng)暫停和恢復(fù)平衡，以避免出現(xiàn)過熱情況（圖4）。
ISL78692是一款集成式單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，能夠在低至2.65V的輸入電壓下工作（冷啟動(dòng)箱）。當(dāng)交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線性充電器，也可以與限流適配器配合使用，以最大程度地減少散熱。ISL78692具有充電電流熱折返功能，可在印刷電路板的散熱因空間限制而受到限制時(shí)保證安全操作（圖3）。
電池監(jiān)視器捕獲關(guān)鍵電池參數(shù)，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構(gòu)成了下一代高功率系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車應(yīng)用）的完整監(jiān)控和平衡解決方案的一部分。
德州儀器（TI）的BQ75614-Q1器件可在不到16μs的時(shí)間內(nèi)提供高達(dá)200S的電池模塊電池電壓測(cè)量。集成的前端濾波器使系統(tǒng)能夠在電池輸入通道上使用簡(jiǎn)單的低電壓額定值差分RC濾波器來實(shí)現(xiàn)。它還帶有集成的電流測(cè)量功能，可選擇與電池電壓測(cè)量同步，以實(shí)現(xiàn)更好的SOC計(jì)算。該器件支持自主內(nèi)部電池平衡，具有溫度監(jiān)控功能，可自動(dòng)暫停和恢復(fù)平衡，以避免出現(xiàn)過熱情況（圖4）。
每個(gè)電池電壓的測(cè)量精度以及片上庫侖計(jì)數(shù)的電流。該設(shè)備最多可以監(jiān)控七個(gè)NTC。信息通過SPI通信或隔離接口傳輸（圖5）。
結(jié)論
電動(dòng)汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)將為優(yōu)化能源管理帶來新的解決方案。特別是，電池將在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，有助于優(yōu)化電動(dòng)汽車的性能，同時(shí)確保電池組的安全性。
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