电动汽车电池背后的惊人技术-电动汽车电池技术突破

与油箱等单个储能元件不同，电动汽车 （EV） 电池组由数百个单独的锂离子 （Li-Ion） 电池组成。当不在精心控制的范围内运行时，这些电池单元的容量和寿命会随着时间和工作条件而减少和发散。电池管理系统（BMS）负责从这些电池中提取最大容量和寿命，同时确保安全性和可靠性。该系统的核心是电池单元监视器，它提供用于确定每个电池的充电状态 （SOC） 和健康状态 （SOH） 的电池测量值，这是评估电池状态的关键参数。本文介绍ADI公司的ADBMS6815系列高压电池监控器，以及 实现汽车电池组的最大容量、安全性、可靠性和使用寿命。

介绍

几十年来，汽车行业一直在缓慢整合，而技术和品牌差异化却在下降。动力总成，即将能量转化为运动的系统，可以说是汽车制造商最珍贵的知识产权，背后有一个多世纪的改进。在这种背景下，全新的汽车公司的出现是非凡的。 因为动力总成技术是受到挑战的技术。

典型的内燃机 （ICE） 车辆有一个 15 加仑的油箱，相当于近 500 kWhr 的电能。15 加仑汽油相当于 ICE 的续航里程为 375 英里;500 kWhr 的电能相当于 EV 的续航里程为 1450 英里。这种巨大的效率优势是电动汽车最终会获胜的原因，但这一旅程的最后一站尚未规划。当今一代电动汽车面临的最大问题是它们无法携带足够的电池容量来匹配内燃机汽车的续航里程。

挑战是什么？

电动汽车的电池组由数百个单独的电池组成，串联工作以产生 400 V 至 800 V 的电压。过度充电和过度放电会损坏或过早老化电池，从而降低容量或寿命，并最终导致电池故障。BMS的主要功能是确定和控制组成包的长系列中每个细胞的SOC和SOH。将任何锂离子电池充电至其 SOC 的 100% 或放电至 0% SOC 会降低其容量。确定SOC需要测量电池电压和温度，而这些测量的准确性直接决定了SOC的管理程度。总之，BMS 电子设备是最大限度地提高电动汽车电池系统工作范围、寿命、可靠性和安全性的关键引脚。

以紧密协调的方式准确、连续地测量以长长的高压串连接的所有电池单元并非易事。测量需要不受逆变器、执行器、开关、继电器等产生的高电噪声的破坏。由于电池组的高电压，电子设备本身需要电气隔离。最后，电子设备需要通过磨损、天气以及车辆的年龄和里程运行多年。

在BMS的核心

作为集成电路（IC）和解决方案的领先供应商，ADI的电池管理产品专注于几个关键领域：单个电池测量（电池组监视器）、整体电池组测量（电池组监视器）、互连设备的通信网络（通过电线或无线网络）以及用于控制这些设备的软件。这些电子设备的目标是允许所有电池单元安全地充电到尽可能高的容量，确保整个电池组获得最大的可存储能量，以最大限度地提高车辆续航里程。

可以说，最关键的器件是高压电池监控IC。电池监视器 IC 测量串联电池单元的电池电压和温度，通常每个监视器 12 个单元。电池电压和温度是关键参数;测量精度和同步性是关键特性。

综合起来，这些信息使BMS能够在其安全操作范围内完全操作电池，而不会对它们施加压力。因此，这些电池监视器的性能对于BMS最大化车辆的续航里程，成本，重量和可靠性至关重要。由于测量误差会导致电池管理效率降低，因此ADI的BMS产品始终提供业界最精确的测量功能。

ADI公司最近推出的ADBMS6815系列精密单元监控器提供了理想的功能组合，可实现安全性、性能和成本效益。该系列由三个基本器件组成，根据每个器件监控的电池数量进行区分：ADBMS6816监控6个电池单元，ADBMS6817监控8个串联电池，ADBMS6815监控12个串联电池单元。三种不同的电池监控器数量可以处理各种电池组配置的不同电池配置。

此外，这些部件可以混合搭配的方式组合在一起，以创建理想数量的细胞监视器通道。由于工作环境包含极端的电噪声，因此它们还包括可调节的低通滤波，可降低这种噪声，确保高保真测量。

图1.多节电池监视器的简化说明。

ADI BMS 通信技术

ADBMS6815系列电池监测器设计用于使用称为isoSPI的2线通信接口的菊花链互连™。这是一个可靠的EMI不敏感且电气隔离的网络，允许ADI的BMS器件从BMS微控制器同步操作、轮询和控制。这样就可以使用ADI电池组监控器与电池组电流和电池组电压同步测量电池组中的所有电池。该菊花链可以为每个设备使用一条路径运行，也可以在环路配置中使用双路径。该环路允许在电线或连接器发生故障时访问所有单元监视器数据。

要了解有关isoSPI的更多信息，请观看此视频。

ADBMS6815系列还支持在无线BMS（wBMS）中工作，其中有线菊花链被蜂窝监视器上的2.4 GHz无线BMS节点取代。

图3.wBMS用无线电代替通信线。

安全

在BMS的所有目标中，确保电池组安全是最重要的。识别和修复IC内的潜在故障需要内置的自检功能和冗余。这些功能包括冗余测量路径、改进的输入信号之间的同步、自检功能等等。

ADBMS6815系列器件设计用于支持ISO 26262 ASIL-D标准。

ISO 26262 是普遍采用的汽车功能安全标准，旨在确保汽车电气设备和系统的整个生命周期内的安全。ASIL-D 是此 ISO 标准中的风险分类，代表了系统中最高水平的汽车安全。ADI的组件经过设计和认证，支持ASIL-D，以确保使用ADI元件的汽车制造商能够实现这一关键里程碑。

此外，通过满足ISO 26262标准，设计人员通常可以满足其他功能安全标准，如IEC 61508，以满足非汽车应用的标准。

低功率电池监控

除了确保稳定、可预测和可靠的能源为车辆供电外，BMS 还必须确保电池本身始终安全。虽然这种情况很少发生，但电池单元缺陷会导致电池随着时间的推移而变短，并导致热失控，从而造成灾难性后果。因此，BMS 会监控可能指示任何潜在问题的情况。

电池单元不是惰性的，因为它们没有使用。作为电化学装置，即使在静止时，它们也会随着时间的推移而变化。换句话说，即使车辆不运行，故障单元的进展也可以继续。为了在车辆处于熄火状态时对电池组中的电池进行连续监控，ADI开发了低功耗电池监控（LPCM）。LPCM是一种先进的电芯监测功能，可定期自主检查电芯的关键参数。借助LPCM功能，细胞监视器会提醒BMS唤醒，并在检测到任何潜在时运行适当的检查 关注。如果小区监视器未能提供定期的肯定确认，BMS 也会发出警报。

要了解ADI如何解决这个问题，请观看此视频，了解LPCM。

灵活性、能力和成本效益

ADBMS6815系列提供理想的功能组合，可满足广泛的要求，补充了已经概述的安全性、可靠性和性能。这些器件使用相同的封装和引脚排列，允许设计人员组合不同的通道数（每个器件监控 6、8、12 个电池单元），以创建可填充的通用设计，以满足更广泛的电池组或电池模块配置。这些器件还包括通用I/O，可用作数字输入、数字输出或模拟输入。当作为模拟输入运行时，它们可以测量任何电压 高达 5 V，测量精度与原电池测量相同。此外，这些辅助测量（如温度或电流）可以与单个电池测量同步，以实现更准确的SOC计算。这些 I/O 引脚还可以控制 I2C 或 SPI 子节点器件，可实现更复杂的功能，例如添加用于扩展模拟输入的多路复用器或用于存储校准信息的 EEPROM。最后，这些器件包括电池平衡功能，可在任何电池上放电高达300 mA的电流。这使系统能够在包装中的所有细胞之间均衡并保持相等的SOC。均衡过程可以设置为特定周期，并在达到预编程阈值时自动停止。这允许长时间平衡，即使电池监视器处于睡眠模式也是如此。

共同特点

ADBMS6815（12通道）

ADBMS6817 （8通道）

ADBMS6816 （6通道）

支持汽车安全完整性等级 D

最大寿命总测量误差：1.5 mV

用于高压电池组的可堆叠架构

304 μs 测量系统中的所有电池

具有可编程噪声滤波器的 16 位 ADC

每通道 300 mA 无源电池平衡，带可编程 PWM 控制

2 Mbps 电隔离 isoSPI 通信

仅使用2根电线和电容器或变压器》/li》

可逆通信支持环形拓扑;即使通信路径出现故障，也允许通信

7个通用接口引脚，可用作模拟或数字输入或数字输出;支持温度传感器，可配置为 I2C 或 SPI 主电源

5.5 μA 睡眠模式电源电流

48 引脚 7 mm × 7 mm LQFP 封装

结论

在未来30年内，世界将从内燃机过渡到电动乘用车。汽油（一种来自有限资源的产品）的极低效使用将确保这种情况发生。地缘政治和环境问题只会加速这一趋势。电动汽车是未来，BMS技术是关键的推动因素。

ADBMS6815系列等领先的BMS产品正在推动未来。这些 IC 已通过 ISO 26262 ASIL-D 认证，并提供业界最高的电池单元电压和温度测量精度。ADBMS6815系列遵循多代经过道路验证的电池监控器IC，旨在超越汽车和工业应用的环境、可靠性和安全性要求。他们继续有效地满足电动汽车车队和大型储能系统不断发展和具有挑战性的要求。设计人员可以选择ADI，相信我们市场领先的技术可以提供当今最好的BMS，并基于我们不断扩展的创新为未来领先的系统开辟道路。

审核编辑：郭婷