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电动汽车电池管理系统提高安全性

文章作者:Tahar Allag

电池监视器监控电动汽车和混合动力汽车电池管理系统中的电压和电池温度。

到2020年，电动汽车(EVs)和混合动力汽车(hev)的市场份额将达到30%。这一市场的吸引力是由于人们越来越关注内燃机(ICE)汽车对环境的影响，并努力降低燃料成本。因此，汽车制造商正在投资于其车队的电气化，导致电池技术和电池组安全性的显著改善。

本文介绍了电池监控ic如何提高电动汽车和混合动力汽车的安全性。

电动汽车电池管理系统

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

直接从电网给电池充电的车载充电器;
一个DC/DC转换器，buck(降低)功率以降低电压，以驱动汽车电子产品，如加热器和自动窗口;
功率逆变器，将能量从电池传递到电机;
用于监测电池组的电压、电流和温度的电池监视器和电流传感器;和
一个主微控制器(MCU)，作为“大脑”，协调EV内的所有动作。

图1阐述了电动汽车电池管理系统(BMS)的高层架构。

图1电池管理系统可以方便地对电动汽车高压电池组进行监控。来源:德州仪器公司

在典型应用中，电池监视器堆叠成菊花链，如图所示图2。每个设备都通过感应线与电池相连，以监控电池组中的每个电池。堆栈中的每个监视器通过通信线路从堆栈的顶部向底部设备传输信息。为了方便主机MCU和堆栈设备之间的通信，需要一个桥接设备。

图2电池监视器堆叠为雏菊链配置。来源:德州仪器

提高电池监视器的安全性

热失控是混合动力汽车/电动汽车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，电池中储存的能量突然释放。这会使电池变成气体，并可能发生火灾。

热失控可以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。
一个外部短路，可以导致无限的能量释放，这使电池迅速加热。
电池过充超过最大允许电压。
高充放电电流。

为了防止这些事件的发生，监测电池电池是至关重要的。电池监视器的设计是为了解决所有这些问题，帮助使电动汽车和混合动力汽车更安全。

电压监测

一个不准确的电压报告可以导致MCU过充电池，潜在的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。根据ISO 26262标准，采用两个完全独立的模数转换器(adc)，可以帮助实现汽车安全完整性等级D (ASIL-D)。

冗余设计用于检测任一ADC中的任何故障，并用于对独立ADC测量的准确性进行双重检查。如果测量中出现故障或漂移，在安全诊断过程中，将对相同的电池测量进行双重检查，并使用具有完全独立路径和参考的辅助ADC对相同的读数进行测量。

以…为例BQ79606A-Q1汽车精密电池监视器，平衡器，集成保护器从德州仪器;每个通道有6个专用的delta-sigma ADC和一个冗余的辅助ADC。该设备有一组窗口比较器，为所有6个通道提供独立于主采集路径的单元电压监测，并与主ADC路径并行工作。比较器功能完全独立于ADC功能;因此，即使ADC功能失效，模拟比较器仍然会标记过欠压和过压比较器阈值。

电池温度监控

锂离子电池不能耐受极端温度。电池包的耐受温度一般在0℃~ 60℃之间。除了外部因素，一些开关元件消耗功率，并以热量的形式释放一些功率，导致电池外壳的热增加。监测和控制电池组温度对于维持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)温度传感。BQ79606A-Q1精密电池监视器可以测量多达6个恒温器在6通道包高精度，提供大量冗余，以防止在温度监测故障。该设备使用一个集成的窗口比较器来监测GPIO的输入温度过高和过低。

当启用时，比较器循环通过每个温度感输入，并将电压与程序设定的阈值进行比较。比较器功能完全独立于ADC功能;即使ADC功能失效，模拟比较器也会标记过低和过温比较器阈值。主机MCU将通过故障线路立即得到通知，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，电池监视器可堆叠在菊花链配置中。每个设备通过下游的另一个设备传递其信息以到达主机。堆栈中的设备和主机MCU之间的通信线路必须是健壮的，以确保在短短几毫秒内进行快速和全面的诊断。MCU应该与堆栈中的任何设备有可靠的通信，以读取、配置和执行诊断。

然而，电动汽车的噪音环境对电池显示器构成了真正的挑战。为了解决这个问题，TI公司的电池监视器使用两个引脚的差分信号，COMP和COM如…所示图3, COMP和COM在不同的噪声环境下，监控BQ79606A-Q1电池管理芯片的N个引脚。