解决方案指南 6977

加快上市时间趋势下的电动汽车(EV)电池管理系统灵活性要求


摘要 :

摘要:为电动汽车电池设计智能传感器面临机械和电气挑战。MAX17853是一款用于高压和低压汽车电池模块管理的灵活数据采集系统。器件支持灵活的电池配置,节省成本、认证时间以及上市时间。利用该方案,能够高精度测量每节电池的电压,进行报告和均衡,并通过监测汇流排实现故障检测。


引言

为汽车电池设计智能传感器要求一定的智慧规划,以克服相关的机械和电气挑战。例如,汽车制造商可能在不同型号的汽车上使用不同的电池配置。通过更改电池的机械设计来匹配每种配置是非常昂贵的,并且会造成开发和生产延误。复杂噪声环境下的电压和电流测量必须非常准确。连接电池模块和子模块的汇流排(图1)可能是用螺栓固定的,当汇流排松动时,会产生很高的电阻损耗或电流中断。

本设计方案中,我们总结这些挑战,并提出一种支持灵活电池配置的创新方案,可有效节省成本、加快上市时间。利用该方案,能够高精度测量每节电池的电压,进行报告和均衡;也很容易测量和报告汇流排电压,实现故障检测。

Lithium battery bank. 图1. 锂电池组

典型电池配置

举例来说,42A、402.3V电动汽车电池可能由8个串联模块组成,每个模块的电压为50.3V。

图2中为单个模块,由3个通过汇流排(BB)连接的子模块组成,每个子模块由4排串联、每排并联70节的电池(4S)组成。相应地,模块的配置为:4S+BB+4S+BB+4S。

One of eight modules in series comprised in an electric vehicle car battery. 图2. 电动汽车电池中包含的八个串联模块之一。

缺乏灵活性

传统模块中,从14s模块变为12s模块非常困难。去掉图2中顶部的两排电池会造成IC的输入(VIN)未连接。这就需要将PCB改为VIN连接到第3排的顶部。

噪声

汽车的电气环境恶劣且噪声较大。此外,充电期间,来自于电网(110VAC、60Hz或220VAC、50Hz)的噪声会影响汽车电池组的电压测量,容易出现混叠误差。所以就必须进行多级滤波。

汇流排接触不良

长度为1英尺的1/8in x 2in铜汇流排可承载500A电流,电阻为33µΩ。相应地,常规工作器件的42A电流将引起33µΩ x 42 = 1.4mV电压降。快充期间,比如说300A,电压降仅仅为33µΩ x 300 = 9.9mV。显而易见,在常规环境下,汇流排不会成为问题。但是,如果汇流排因为任何原因造成接触不良,电阻会急剧增大,对电池操作产生不良影响。

解决方案

举例来说, MAX17853 是一款用于高压和低压电池模块管理的灵活数据采集系统。系统可利用完整冗余测量引擎在263µs内测量14路电池电压以及6路温度或系统电压测量的组合,也可以利用ADC测量引擎在156µs内单独执行全部输入测量。器件内部有14个额定电流大于300mA的均衡开关,用于电池均衡,每个开关都支持全面的内置诊断。多达32片器件能够以菊链形式连接在一起,管理448节电池以及监测192路温度。

Flexpack

IC能够通过软件将顶部的输入电压重新连接到下方的任意电池。这就使得同一BMS电路板可支持多种电池模块配置,避免针对不同的模块重新设计硬件。这样可降低工程开发、库存和OEM重新认证的时间,加快上市时间。

数字滤波

在作为竞争方案的Σ-Δ架构中,测量是顺序完成的,这就需要处理数据的软件产生一定的开销。IC的SAR ADC系统结构具有同时测量14排的优势。利用附加数字低通噪声滤波器,可进一步提高测量精度。

IC具有两级数字滤波。专用陷波滤波器可消除充电期间由于电源整流频率(100Hz/120Hz)而引起的误差,并简化总体系统设计。这改善了系统充电电路的时间对齐采样(图3)。陷波滤波器对恶劣汽车环境下的一般噪声进行衰减。

100Hz notch filter. 图3. 100Hz陷波滤波器。

汇流排监测

除了测量电池电压外,IC很容易监测汇流排状态。任何电池均可进行电池电压测量或汇流排监测。在65V共模电压范围内可测量-2.5V至+5V的电池和汇流排电压,典型精度为1mV (3.6V电池,25°C)。汇流排测量是与电池以及温度测量同时完成的,允许实现真正的时间对齐测量和监测。

通信

为实现可靠通信,系统采用Maxim电池管理UART或SPI协议,并优化用于支持较少的内部诊断功能,通过嵌入式通信和硬件报警接口实现快速报警通信,支持ASIL D和FMEA要求。

总结

在本设计方案中,我们回顾了现有电池管理方案的局限性,包括缺乏灵活性、难以监测故障汇流排,以及存在多种噪声源时电池测量不准确。然后我们介绍了一种新IC,支持灵活的电池配置,节省成本、认证时间以及上市时间。利用该方案,能够以更高精度测量每节电池的电压,进行报告和均衡,并通过监测汇流排实现故障检测。

术语

ADC:模/数转换器
SAR: 逐次逼近寄存器ADC
ΣΔ: 和差寄存器ADC

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利用智能传感器监测电动汽车电池