鉅大LARGE | 點擊量：690次 | 2021年12月16日
德州儀器電池監控ASIC系列產品最大限度地提高電動汽車的行駛里程和安全性
隨著汽車電氣化的進展，工程師必須注意在確保最高水平的功能安全的同時最大限度地延長電池壽命。電池監測應用專用集成電路(ASIC)可以幫助實現這兩個目標，實現自動主機反向喚醒功能，監測電池電壓和溫度，并提供自主電池平衡。
功能安全
電動車的安全考慮是多方面的。它們包括保護生產工人、車主、機械師和回收人員免受高電壓的影響，保護電池單元不被刺穿和撞擊損壞以及保持電氣系統的完整性，確保電池在安全的溫度和電壓范圍內工作。
最后一個考慮因素尤為重要。在可接受的電壓和溫度范圍之外，電池內部可能會發生不良反應，導致過度自熱、內部電氣短路，并最終導致熱失控。為了避免這些問題，電池監測ASIC測量并將電壓和溫度信息傳輸到電池管理單元（BMU）。
電池管理功能面臨著自身的挑戰。一輛電動乘用車可能有128個或更多的電池；一輛商用車可能有兩倍的電池。大型電池系統有許多印刷電路板(PCB)連接，在這些連接中可能會發生故障：例如，電池傳感器和ASIC之間的開路，或者ASIC之間的通信鏈路開路。檢測和處理此類故障以避免危險事件是功能安全的一部分，正如ISO26262道路車輛標準中所涉及的那樣。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
在一些汽車系統中，對功能喪失的安全響應是簡單地關閉電子裝置并通過儀表板指示燈通知駕駛員。然而，在其他情況下，簡單地關閉電子裝置可能并不安全，設計目標可能包括"安全相關的可用性"要求，其中系統必須在一段時間內對某些類型的故障有一個容忍度--可能通過冗余實現，以避免危險事件。
電池監測子系統提供了冗余如何工作的例子。在這樣一個子系統中，ASIC以堆疊配置的方式排列，每個ASIC測量多個電池的電壓和溫度。測量數據流從ASIC到ASIC，再到微控制器單元(MCU)，MCU計算電池的狀態，并幫助確保操作保持在安全范圍內。傳感或通信路徑中的開路或短路可能會使子系統對潛在故障"失明"，可能導致危險事件。
德州儀器的BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1系列電池監控ASIC包含的功能可提供對這些類型故障的容忍度，使系統能夠繼續監控電池組的健康和安全。
圖1展示了雙向環形配置的BQ79616-Q1器件。在兩個電池監測ASIC之間出現開路的情況下，MCU繼續通過BQ79600-Q1SPI/UART通信接口與ASIC進行通信，必要時向后或向前切換消息傳遞方向。雖然在故障期間，正常的通信被禁用，但系統可以利用雙向環形通信功能的容錯能力-保持可用性，而電池模塊的電壓和溫度信息不會丟失。
1.在該雙向環配置中，如果兩個電池監控ASIC之間出現開路，MCU可以通過切換消息傳遞方向繼續與ASIC進行通信。
為了進一步支持冗余，BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1還具有雙模數轉換器(ADC)。在沒有冗余的系統中，單個ADC監控電壓感應信號(VC)。在BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1的雙ADC中，第二個ADC監控單元平衡信號(CB)，從而使系統在VC路徑發生開路時也能繼續監控電壓(圖2)。
2.如果VC信號路徑發生故障，BQ79606A-Q1或BQ79616-Q1中的冗余ADC可以通過CB信號測量電池電壓。
自動喚醒
典型的電動汽車或混合動力汽車包括一個由12-V電池供電的BMU。為了在車輛停放時查找高壓（HV）電池組的故障，BMU的MCU必須周期性地喚醒，這有可能使12-V電池過早放電。
另一種選擇是自動主機反向喚醒，只有在檢測到故障時才喚醒MCU。BQ79616-Q1集成了專利的故障喚醒功能，可以作為這種實現的核心。BQ79616-Q1提供了一個低功耗睡眠模式，在此期間，它仍然可以監測過溫和欠溫，以及過壓和欠壓等故障情況。在檢測到睡眠模式下的故障時，設備能夠通過故障音來傳輸故障狀態。
如圖3所示，一系列的BQ79616-Q1設備對HV電池進行監控。在檢測到故障時，BQ79616-Q1通過環形結構將故障音傳輸到位于BMU上的BQ79600-Q1通信接口。然后，BQ79600-Q1啟用BMU的電源管理IC（PMIC），進而喚醒MCU。其結果是在車輛停放或關閉時，在支持功能安全要求的同時，節約12-V電池電源。
3.當檢測到故障時，BQ79616-Q1將故障音傳輸到位于BMU中的BQ79600-Q1SPI/UART通信接口。
電池平衡
電池片平衡可以糾正汽車電池的不平衡，幫助延長汽車行駛里程，同時確保安全運行。您可以選擇兩種方法之一。主動式電池平衡采用直流-直流轉換器將能量從高電荷水平的電池重新分配到低電荷水平的電池。被動平衡從具有較多電荷的電池中移除電荷，通常是通過熱耗散，直到所有電池具有相同的電荷量。鑒于其簡單性和較低的成本，被動平衡是一種更受歡迎的方法。
TI的BQ79616-Q1使用連接到外部平衡電阻的內部開關執行無源電池平衡。器件內部的開關和電阻都是潛在的過熱源，BQ79616-Q1通過兩種熱管理功能來解決這一問題。
在第一種情況下，裸片溫度過高會觸發MCU的故障，MCU會暫停平衡，直到裸片溫度下降和任何故障被清除。在第二種情況下，BQ79616-Q1監控電路板安裝的熱敏電阻，如果溫度超過預設閾值，則自動暫停平衡。當溫度下降到可接受的水平時，恢復平衡--所有這些都不需要MCU的干預。
結論
TI的電池監控器和平衡器在電動汽車中執行各種功能，從故障喚醒操作到電池平衡。它們提供熱管理功能，并實施容錯溫度和電壓測量，提供系統性的功能安全能力，最高可達到汽車安全完整性等級(ASIL)D。
