【導讀】倒計時(shí)已經(jīng)開(kāi)始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車(chē)將在未來(lái)幾年徹底改變整個(gè)汽車(chē)行業(yè)——這一變化遠遠超出了網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)或方向盤(pán)和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟、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將成為電動(dòng)汽車(chē)（e-mobility）的關(guān)鍵。
汽車(chē)設計人員面臨的挑戰是實(shí)現電池管理系統，以確保安全和長(cháng)電池壽命，而無(wú)需復雜的電路。
倒計時(shí)已經(jīng)開(kāi)始：自動(dòng)駕駛、電動(dòng)、互聯(lián)汽車(chē)將在未來(lái)幾年徹底改變整個(gè)汽車(chē)行業(yè)——這一變化遠遠超出了網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)或方向盤(pán)和踏板的消失。自動(dòng)駕駛聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)將帶我們進(jìn)入一個(gè)更高效、更經(jīng)濟、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將成為電動(dòng)汽車(chē)（e-mobility）的關(guān)鍵。
據專(zhuān)家介紹，這些系統將在未來(lái)幾年改變我們的出行方式，重新設計移動(dòng)、智能城市和互動(dòng)社區的未來(lái)。對聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)（也許是高速5G網(wǎng)絡(luò )）的日益關(guān)注已經(jīng)加速，因為它們將主要是電動(dòng)的。
向電動(dòng)、互聯(lián)和自動(dòng)駕駛車(chē)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、電池和變速箱組件）、高級駕駛輔助系統、自主功能（自適應懸架、主動(dòng)轉向和制動(dòng)系統、視覺(jué)傳感器）、新材料的應用和乘客艙設計（包括增加內部絕緣以及手勢識別和增強現實(shí)顯示器）。
然而，電池是任何電動(dòng)汽車(chē)（EV）跳動(dòng)的心臟。為了讓聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)證明其智能，它必須通過(guò)監測和控制電池電量來(lái)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(guò)程，這些能量是由與電氣系統相關(guān)的潛在吸收引起的，這些電氣系統即使在車(chē)輛關(guān)閉時(shí)仍保持活動(dòng)狀態(tài)：安全系統、車(chē)載計算機系統和遠程信息處理。每天的能量損失可能高達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(lái)，鋰離子電池在相對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(zhù)提高功率密度、耐用性、成本、充電時(shí)間和安全性的挑戰。監測電氣性能是鋰離子電池應用成功的關(guān)鍵。
汽車(chē)電子系統設計人員面臨的挑戰是實(shí)現一種電池管理系統（BMS），以確保安全運行、長(cháng)電池壽命以及低壓和高壓域的分離，而無(wú)需具有大量組件的復雜電路。
電動(dòng)汽車(chē)
用電池鋰離子電池是未來(lái)移動(dòng)和節能形式的關(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(chē)電池的大規模生產(chǎn)正在顯著(zhù)增加，這主要是由于電動(dòng)汽車(chē)的趨勢。據幾位研究分析師稱(chēng)，64年，這些電池中約有2018%是為全球電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)的，到2025年，這一比例將上升到85%以上。
這種增長(cháng)也是由于它們變得越來(lái)越經(jīng)濟。根據在幾個(gè)電動(dòng)汽車(chē)論壇上提出的最新預測，到2021年，鋰離子電池系統的價(jià)格將下降到電動(dòng)汽車(chē)與內燃機汽車(chē)競爭的程度。
提供高性能所需的主要挑戰是增加續航里程、提高充電速度和降低維護成本。許多公司提供電力存儲解決方案，提供廣泛的工作溫度范圍，并擴展混合動(dòng)力（HEV）、插電式混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車(chē)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)主要的設計問(wèn)題：一個(gè)是材料化學(xué)，另一個(gè)是電子，這意味著(zhù)當過(guò)度充電時(shí)，它會(huì )造成永久性損壞和過(guò)熱。因此，擁有BMS來(lái)提供保護和能量控制非常重要。監控系統本質(zhì)上是電池系統的“大腦”;它測量和報告信息，這對系統至關(guān)重要，并保護其在各種操作條件下免受損壞。
電池管理系統
電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的電池系統必須設計為支持長(cháng)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(guò)度充電的風(fēng)險。為了跟蹤EV/HEV的負載動(dòng)態(tài)，包括放電和充電工作模式，電子電池監控組件以每秒50個(gè)樣本或更高的速率檢查電池電壓。這意味著(zhù)來(lái)自電池組的原始數據流速率很高，有時(shí)60節電池組的有效載荷為96kbits/s。
電池單元的排列需要特別注意，因為它們的尺寸和重量對車(chē)輛內的維護和分配具有實(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(chē)BMS的主要功能可以總結如下：
電池保護，防止在安全操作區域之外的操作
通過(guò)估計充電和放電操作期間的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）來(lái)監控電池
通過(guò)平衡電池來(lái)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(chē)的行駛里程
集成電路解決方案
BMS可以監控電池使用情況，從而優(yōu)化車(chē)輛的整體性能。該系統通過(guò)控制工作區域、平衡SOC和保護它來(lái)進(jìn)一步管理可充電電池。
根據聯(lián)合市場(chǎng)研究公司的數據，全球汽車(chē)電池管理系統市場(chǎng)按電池類(lèi)型、車(chē)輛類(lèi)型、連接拓撲和地區進(jìn)行細分。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(chē)、工業(yè)和消費類(lèi)應用中使用的鋰離子電池組提供TLE9012AQU多通道電池監控和平衡系統IC。TLE9012AQU提供四個(gè)主要功能：電池電壓測量、溫度測量、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行（圖1）。
ADI公司（ADI）基于A(yíng)D7284管理板的BMS監控2通道鋰離子電池，包括監控堆疊電池所需的所有功能和診斷功能，包括檢測開(kāi)路輸入、通信和電源故障（圖7284）。AD《》監控系統非常適合監控EV/HEV和固定電源應用中的鋰離子電池。
AD7284的特點(diǎn)是多路復用電池電壓和輔助模數轉換器（ADC）測量通道，支持《》至《》節電池管理單元、內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量和系統診斷。
具有14位分辨率的完整監控系統集成了多個(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數字隔離器隔離的電源和接口，以及通過(guò)ADP3303和ADP7104穩壓器的電源。
瑞薩電子提供ISL78692和ISL78693汽車(chē)級單節電池充電器，可延長(cháng)鋰離子、鋰聚合物（Li-polymer）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）汽車(chē)緊急呼叫（eCall）系統中使用的電池。
ISL78692是一款集成式單節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）。當交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線(xiàn)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）。
電池監視器捕獲關(guān)鍵電池參數，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構成了下一代高功率系統（如電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)工具、儲能系統和電動(dòng)汽車(chē)應用）的完整監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)間內提供高達200S的電池模塊電池電壓測量。集成的前端濾波器使系統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(lái)實(shí)現。它還帶有集成的電流測量功能，可選擇與電池電壓測量同步，以實(shí)現更好的SOC計算。該器件支持自主內部電池平衡，具有溫度監控功能，可自動(dòng)暫停和恢復平衡，以避免出現過(guò)熱情況（圖4）。
ISL78692是一款集成式單節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）。當交流適配器是電壓源時(shí)，它可用作線(xiàn)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）。
電池監視器捕獲關(guān)鍵電池參數，如電壓、電流和溫度，并將此信息傳遞給微控制器。這些器件構成了下一代高功率系統（如電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)工具、儲能系統和電動(dòng)汽車(chē)應用）的完整監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)間內提供高達200S的電池模塊電池電壓測量。集成的前端濾波器使系統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(lái)實(shí)現。它還帶有集成的電流測量功能，可選擇與電池電壓測量同步，以實(shí)現更好的SOC計算。該器件支持自主內部電池平衡，具有溫度監控功能，可自動(dòng)暫停和恢復平衡，以避免出現過(guò)熱情況（圖4）。
每個(gè)電池電壓的測量精度以及片上庫侖計數的電流。該設備最多可以監控七個(gè)NTC。信息通過(guò)SPI通信或隔離接口傳輸（圖5）。
結論
電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增長(cháng)將為優(yōu)化能源管理帶來(lái)新的解決方案。特別是，電池將在電池管理系統中發(fā)揮重要作用，有助于優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的性能，同時(shí)確保電池組的安全性。
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