EV電池的隱藏功臣，BMS技術

與燃油箱是單個儲能裝置不同，電動汽車 （EV） 電池組由數(shù)百個鋰離子電池組組成。這些電池的容量和使用壽命會隨著時間而不同，除非仔細管理。電池管理系統(tǒng) （BMS） 的工作是盡可能從每個電池中提取容量和使用壽命，同時提高安全性和可靠性。電池監(jiān)控IC是該系統(tǒng)的核心。利用IC提供的電池測量值，可以計算每個單元的充電狀態(tài)（SOC）和老化狀態(tài)（SOH）作為確定電池狀態(tài)的主要參數(shù)。 本文介紹了 ADBMS6815 高壓電池單元監(jiān)控 IC 系列的 Analog Devices。這些 IC 產品可用于最大化電動汽車電池組的容量、安全性、可靠性和使用壽命。

前綴

隨著汽車行業(yè)幾十年的逐步標準化，技術和品牌的差異化變得相當弱。動力總成是將能量轉化為運動的系統(tǒng)，可能是汽車公司最寶貴的智力資產（IP）。一百多年來，動力總成一直在不斷的技術進步。隨著全新的汽車公司不斷涌出，動力總成面臨著全面的挑戰(zhàn)。

典型的內燃機 （ICE） 汽車包括高達 15 加侖（約 57 升）的燃油箱。這相當于大約 500 kWhr 的電能。15加侖汽油可以跑375英里（603公里）的ICE。但是，如果電能為 500 kWhr，則 EV 可行駛 1，450 英里（2，333 公里）。在燃油經(jīng)濟性方面，這種絕對優(yōu)勢將使EV成為最終的贏家。然而，在這樣的旅程中，還有一段尚未修復。EV 今天面臨的最大挑戰(zhàn)是，它沒有足夠的電池容量來與 ICE 汽車的續(xù)航里程相媲美。

需要解決的挑戰(zhàn)

EV 電池組由數(shù)百個電池組成。這些電池串聯(lián)工作，產生 400 V 至 800 V 的電壓。過度充電或過度放電會損壞細胞或導致細胞突然老化。這導致容量或壽命的縮短，并最終導致電池故障。BMS 的主要功能是計算和控制構成包的每個單元的 SOC 和 SOH。將鋰離子電池充電至 100% SOC 或放電至 0% SOC 會降低電池容量。為了計算SOC，必須測量電池電壓和溫度，這種測量精度直接影響SOC的管理效果。簡而言之，BMS 中的電子器件在最大化 EV 電池系統(tǒng)的操作范圍、使用壽命、可靠性和安全性方面起著關鍵作用。

精確、連續(xù)地測量所有串聯(lián)高壓電池單元絕非易事。此測量不應受逆變器、執(zhí)行器、開關、繼電器等產生的高電氣噪聲的影響。測量設備本身也必須與電池組的高電壓進行電氣隔離。此外，這些設備必須承受機械磨損、天氣條件和車輛里程老化，并東海多年。

BMS 的關鍵要素

作為行業(yè)領先的 IC 和解決方案供應商，ADI 的電池管理系統(tǒng) （BMS） 產品專注于幾個關鍵領域。這包括單個單元測量（單元監(jiān)控）、完整包測量（包監(jiān)控）、用于連接它們的通信網(wǎng)絡（有線或無線網(wǎng)絡）以及用于控制這些設備的軟件。使用這些組件的目的是在整個包裝中存儲最大能量，同時將所有電池組安全地充電到最大容量，并最大限度地提高 EV 的續(xù)航里程。

其中，一個特別重要的設備是高壓單元監(jiān)控IC。電池監(jiān)控 IC 測量串聯(lián)電池單元的電池電壓和溫度，通常有 12 個通道。電池電壓和溫度是主要參數(shù)，測量精度和同步性是主要特征。

結合這些信息，BMS 使單元在各自的安全操作范圍內以最大容量運行。因此，這些電池監(jiān)控設備在最大化車輛行駛里程、降低成本和重量以及提高可靠性方面的作用至關重要。這是因為此處發(fā)生的測量誤差會妨礙有效的電池管理。ADI 的 BMS 產品始終提供業(yè)內最精確的測量能力。

ADI最近推出的亞行MS6815精密電池監(jiān)控IC系列具有安全性、性能和成本效益的所有特性。目前，該系列由三個不同通道的監(jiān)控產品組成。亞行MS3監(jiān)控6816個電池單元，亞行MS6串聯(lián)監(jiān)控6817個電池單元，亞行MS8串聯(lián)監(jiān)控6815個電池單元。它提供三種不同的電池單元，以滿足各種電池組配置要求，以實現(xiàn)廣泛的電池組配置。

此外，這些 IC 的各種組合可以構建所需數(shù)量的單元監(jiān)控通道。由于操作環(huán)境還包括惡劣的電氣噪聲，因此這些產品通過包括可設置的低通濾波（低通濾波）來降低噪聲并實現(xiàn)高精度測量。

圖1： 多芯電池監(jiān)控IC

ADI的BMS通信技術

亞行MS6815單元監(jiān)控IC系列是isoSPI?它旨在使用稱為 2 線的通信接口進行菊花鏈連接。isoSPI?是可靠的，對 EMI 具有較高的耐受性，通過實現(xiàn)電氣隔離網(wǎng)絡，ADI 的 BMS 設備可以從 BMS MCU 同步運行、輪詢和控制。同步測量包中的所有單元，并使用包監(jiān)控設備監(jiān)控包電流和封裝電壓。可以使用此菊花鏈為每個設備配置一個路徑，也可以使用雙路徑作為環(huán)路配置運行。環(huán)路配置允許在發(fā)生導線或連接器故障時訪問所有單元監(jiān)控設備的數(shù)據(jù)。

亞行MS6815系列也可以作為無線BMS（wBMS）運行。在這種情況下，必須將有線菊花鏈從蜂窩監(jiān)控設備更改為 2.4 GHz 無線 BMS 節(jié)點。

圖 3：wBMS 以無線方式替換通信導線。

安全

在 BMS 的所有要求中，電池組的安全性尤為重要。為了檢測和處理 IC 中的潛在缺陷，需要與 BIST（自帶）功能冗余。解決方案包括冗余測量路徑、輸入信號之間的增強同步、自檢功能等。

亞行MS6815系列旨在滿足ISO 26262 ASIL-D標準。

ISO 26262 是一項普遍采用的汽車功能安全標準，旨在確保車輛電氣設備和系統(tǒng)的整個生命周期的安全。ASIL-D 等級是 ISO 標準定義的最高級別的汽車安全要求。通過認證 ADI 產品符合 ASIL-D 標準，使使用 ADI 部件的汽車制造商能夠減少獲得認證所需的時間。

此外，通過滿足 ISO 26262 標準，設計人員可以輕松實現(xiàn)其他功能安全標準，如 IEC 61508。

低功耗電池監(jiān)控

BMS 不僅為汽車驅動提供可靠、可預測和可靠的能源，而且確保電池本身始終安全運行。在極少數(shù)情況下，電池故障會導致電池短路，隨著時間的推移，產生熱失控，并可能導致嚴重后果。因此，BMS 應能夠立即檢測到任何異常情況。

電池未使用，因此不會停止活動。作為電化學元件，即使不使用電池，其特性也會隨時間而變化。也就是說，即使車輛關閉，單元內的問題也將繼續(xù)存在。因此，為了持續(xù)監(jiān)控電池組內的電池，即使在車輛關閉的情況下，ADI 也開發(fā)了稱為低功耗電池監(jiān)控 （LPCM） 的電池。LPCM 是一種進化的電池監(jiān)控功能，可自行定期測量電池的關鍵參數(shù)。當使用 LPCM 功能檢測到任何異常時，蜂窩監(jiān)控設備會向 BMS 發(fā)送警報，以便采取必要的措施。當單元監(jiān)視設備未定期做出正常的確認響應時，也會向 BMS 發(fā)送警報。

在下面的視頻中，您可以看到 ADI 如何在發(fā)生此類問題時解決這些問題：https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html

靈活性、功能性和經(jīng)濟性

除了上述安全性、可靠性和性能外，ADBMS6815 系列還具有滿足各種應用需求的特性。由于這些設備產品具有相同的封裝和引腳，因此支持的通道數(shù)可以適當?shù)亟M合不同的產品（每個設備 6 個、8 個、12 個電池單元監(jiān)控），以滿足各種電池組或電池模塊配置。這些產品還可用于數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或模擬輸入的通用 I/O。當用作模擬輸入時，可以測量 5 V 以內的任何電壓，測量精度與電池測量相同。通過將單個單元測量與輔助測量（如溫度或電流）同步，可以更精確地進行 SOC 計算。

此外，由于這些 I/O 引腳可以控制 I2C 或 SPI 子諾德設備，因此可以實現(xiàn)更復雜的功能，如添加多路復用器以擴展模擬輸入或使用 EEPROM 存儲校準信息。最后，這些產品包括電池平衡功能，可將電流放電至300mA。因此，它可以在包中的所有單元中保持均勻的 SOC。可以將均衡過程設置為特定的時間間隔，并在充電量達到編程閾值時自動停止充電。因此，即使電池監(jiān)控設備處于睡眠模式，也可以長時間平衡。

常見功能

亞行MS6815（12通道）

亞行MS6817（8通道）

亞行MS6816（6通道）

ASIL-D 級支持

整個生命周期的最大總測量誤差：1.5 mV

高壓電池組的可包裝架構

僅 304s 即可測量系統(tǒng)中的所有單元

16 位 ADC，帶可編程噪聲濾波器

每個通道 300 mA 的無源電池平衡，包括可編程 PWM 控制

2 Mbps 電氣隔離 isoSPI 通信

僅使用兩根導線和電容器或變壓器

反向通信支持環(huán)形拓撲：即使通信路徑有故障，也能進行通信

七個通用接口引腳，提供模擬輸入、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出：支持溫度傳感器，可配置為 I7C 或 SPI 主引腳

5.5 A 睡眠模式電流

48 針 7 毫米 x 7 毫米 LQFP 封裝

結語

未來30年，世界各地的汽車將從ICE汽車轉向電動汽車。石油是一種有限的資源，而且作為汽車燃料的效率也非常低。對環(huán)境的擔憂也助長了這一轉變。電動汽車將成為我們的未來，BMS技術在實現(xiàn)這一點方面起著關鍵作用。

為了實現(xiàn)這一未來，可以使用領先的 BMS 產品，如亞行 MS6815 系列。這些 IC 產品符合 ISO 26262 ASIL-D 認證，可提供業(yè)內最高的電池電壓和溫度測量精度。亞行MS6815系列基于幾代經(jīng)現(xiàn)場驗證的電池監(jiān)控IC經(jīng)驗，超越了汽車和工業(yè)應用的環(huán)境、可靠性和安全要求，可有效滿足電動汽車和大型儲能系統(tǒng)不斷變化的需求。通過選擇 ADI，設計人員可以使用先進的技術實現(xiàn)最佳的 BMS。

審核編輯：郭婷