詳察電池芯的電池組監(jiān)控IC

將測量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個隔離絕緣器，而不是多個。幾十年前，工程師們要通過絕緣屏障來傳送模擬電壓。電池組監(jiān)控芯片結(jié)構(gòu)是當前的趨勢。測量模擬電壓，然后將該電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位。將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳送過一個隔直屏障有很多種方法（參考文獻4）。可以采用光耦、隔直電容、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過隔離屏障發(fā)送模擬電平，則可以采用delta-sigma調(diào)制器，如Avago的產(chǎn)品。

一旦確保了精確測量，并解決了共模問題，還必須確認滿足了設(shè)計的功率要求。電池組本身能為大多數(shù)電池監(jiān)控IC提供電源，而這意味著會耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會超過周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監(jiān)控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監(jiān)控電路就不會消耗動力電池的能量。

當設(shè)計測量系統(tǒng)時，必須要在某個通信鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)。有些制造商會將一種簡單的局域串行協(xié)議（如串行外設(shè)接口SPI）轉(zhuǎn)換為一種高級協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）總線。CAN通信在汽車中的應(yīng)用已有幾十年時間，證明了其可靠性。

這些對測量系統(tǒng)的考慮還只是基本需求。為了滿足汽車制造商對可靠性和責任的關(guān)切，我們必須測量電池組中的每個芯。為了盡量減少所需要的測量轉(zhuǎn)換器數(shù)量，大多數(shù)IC制造商都在自己的電池組監(jiān)控芯片中采用了高壓、有故障保護的多工器，使芯片能夠精確地測量4只12只電池芯，然后將測量結(jié)果通過一個串行總線，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。

當裝配工人或機器采用熱插拔更換方法，將測量電路連接到電池上時，就產(chǎn)生了另一個重要的可靠性問題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對任意電池芯檢測線的隨意連接會向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認為芯片必須有加固的節(jié)點，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說：“DMOS和CMOS已經(jīng)做了這個工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內(nèi)部如何短接晶體管阱和柵。”他告誡IC設(shè)計者，要用導環(huán)來解決熱載流子的注入問題。

大多數(shù)制造商都同時提供外部和片上的溫度檢測，因而系統(tǒng)設(shè)計者能夠測量出環(huán)境溫度和電池芯溫度。然后，設(shè)計者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數(shù)。可靠性問題也使得汽車制造商提出了對全冗余測量系統(tǒng)的要求（圖6與參考文獻5）。在這些結(jié)構(gòu)中，一組daisy鏈接的芯片做測量，另一組芯片則用設(shè)定了最大最小極限值的比較器，監(jiān)控測量情況。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無源的，原因是：如果一只芯片出現(xiàn)電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過。大多數(shù)的電池組測量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統(tǒng)的BMU（電池管理單元）微控制器查詢芯片，以確保芯片的上電和工作。

除了這種系統(tǒng)級冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能（參考文獻6）。

Intersil公司汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kenneth Lenk表示這類芯片包含了多種電壓基準。他補充說，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。

很多制造商都強調(diào)說，他們的器件擁有無源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時也能繼續(xù)工作。Analog Devices公司精確放大器系列產(chǎn)品經(jīng)理Sam Weinstein稱，制造商不僅要建立內(nèi)部的冗余，還要確保冗余安全芯片的運行。他指出，BIST（內(nèi)置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業(yè)要求的基礎(chǔ)。

一個工程化委員會正在將汽車電池組系統(tǒng)的失效保護以及冗余功能做到ISO（國際標準化組織）26262標準中，ISO組織預計將在今年發(fā)布該標準。開發(fā)人員采用了這個標準后，就能為他們提供電動汽車中模擬、數(shù)字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務(wù)關(guān)鍵的先進傳動模塊的模擬與數(shù)字硬件。
電池環(huán)境

除了汽車電池組的測量以外，還必須使系統(tǒng)能在現(xiàn)代汽車所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下生存。所有這些元件都會遭受到震動與加速度。例如在鐵道上通過鎖鏈懸掛運輸汽車時會出現(xiàn)最大加速度，表面安裝芯片和無源元件都要防震。

系統(tǒng)還必須能承受較消費電子更寬的溫度范圍。例如，電池芯無法承受+125°C的溫度。并且，大多數(shù)芯片可以工作到+85°C的溫度，Maxim和Analog Devices公司的芯片可工作到+105°C。Intersil和其它制造商提供能在汽車制造商指定溫度下工作的芯片。低溫也會產(chǎn)生問題。晶體管基射結(jié)電壓和互導會隨溫度的降低而上升，從而造成放大器的振蕩。

電池組測量系統(tǒng)的設(shè)計必須能承受EOS（電氣過載）。例如，當某個技工斷開一個運轉(zhuǎn)中引擎的電池電纜，以確定交流發(fā)電機是否在工作時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此時，交流發(fā)電機會向電氣系統(tǒng)發(fā)出一個100V脈沖。盡管電動汽車電池組芯片可能不會遭受到這種壓力，但母線連接的電池芯則可能在大電流流過時遭到損壞，因為在電池電壓上產(chǎn)生了一個大的過沖。

EMI會干擾測量，是電動汽車中的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一（圖7）。所有走線和高阻節(jié)點都會受EMI影響，EMI可能破壞對電池芯電壓的測量。據(jù)Linear Technology公司應(yīng)用經(jīng)理Tim Regan稱，交流紋波可能到處都是。這種紋波來源于轉(zhuǎn)換器的斬波頻率，并加到電機的電噪聲上。

Regan補充說：“基本的去耦方法就很有效。”不過，去耦只是一個開始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷電路板）布局，以及屏蔽等。

圖7，這個實驗結(jié)構(gòu)可向測量系統(tǒng)注入電流，以確保芯片可以承受大電流。覆箔的盒子隔離了外部的輻射，因此不會影響測量（Linear Technology公司提供）。