電池組監(jiān)控 IC 使用 delta-sigma 調(diào)制器保證電池測量準(zhǔn)確性

LinearTechnology 的資深科學(xué)家 Jim Williams 開發(fā)了一種新穎的電路，該電路使用小型、廉價(jià)的變壓器，他詢問每個(gè)電池的電壓該電路性能良好，但變壓器增加了成本，并且可能由于振動而失效。

電池組監(jiān)視器 IC 制造商通過在電池組電壓下浮動芯片來避免共模問題。他們將模擬測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后將這些數(shù)字位傳遞到其他芯片的菊花鏈中。此步驟從系統(tǒng)中移除電阻衰減器，并消除測量中的任何共模衰減誤差。

將測量芯片置于菊花鏈中有助于滿足另一個(gè)重要要求。它需要一個(gè)電流隔離器而不是多個(gè)。幾十年前，工程師會嘗試通過隔離柵傳輸模擬電壓。電池組監(jiān)控芯片的架構(gòu)揭示了一種現(xiàn)代趨勢。您測量模擬電壓，然后將該電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位?？珉娏鞲綦x邊界傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的方法有很多。您可以使用光耦合器、電容隔離器、變壓器隔離器、射頻隔離器，甚至磁致伸縮隔離器。如果您跨邊界發(fā)送模擬電壓電平，則可以使用 delta-sigma 調(diào)制器，例如 Avago 的調(diào)制器。

一旦確保準(zhǔn)確測量并解決了共模問題，就必須確保滿足設(shè)計(jì)的電源要求。電池組本身為大多數(shù)電池監(jiān)控器 IC 供電，這意味著除非您正在充電，否則電池電量會耗盡。同樣重要的是，每個(gè)芯片必須具有相同的功耗，這樣一個(gè)芯片就不會因消耗比其相鄰芯片更多的功率而使一組電池失衡。您還可以提供來自電池或外部電源的隔離電源，就像 AnalogDevices 在其監(jiān)控芯片上所做的那樣。因此，監(jiān)控電路不會耗盡推進(jìn)電池。

設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)后，您必須通過通信鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。一些制造商將簡單的本地串行協(xié)議(例如 SPI(串行外設(shè)接口))轉(zhuǎn)換為高級協(xié)議，例如 CAN(控制器局域網(wǎng))總線。數(shù)十年的使用已經(jīng)確立了汽車中 CAN 通信的可靠性。

測量系統(tǒng)的這些考慮只是基本要求。為了滿足汽車制造商的可靠性和責(zé)任問題，您必須測量電池中的每個(gè)電池。為了最大限度地減少所需的測量轉(zhuǎn)換器數(shù)量，大多數(shù) IC 制造商在其電池組監(jiān)控芯片上使用高壓、故障保護(hù)多路復(fù)用器，使芯片能夠準(zhǔn)確測量 4 到 12 節(jié)電池，然后通過串行總線將測量結(jié)果傳送到菊花鏈中的下一個(gè)芯片。

當(dāng)裝配工人或機(jī)械師使用熱插拔更換將測量電路連接到電池時(shí)，會出現(xiàn)另一個(gè)主要的可靠性問題。這種方法不能保證工人將首先連接哪個(gè)電池。任何單元的感應(yīng)線的任意連接都可以將大電流注入硅片。根據(jù) Maxim 的 LaJeunesse 的說法，芯片還必須具有堅(jiān)固的結(jié)，他指出芯片不需要介電隔離工藝?！癉MOS 和 CMOS 可以完成工作，但你必須知道如何偏置電路元件以及如何在內(nèi)部設(shè)置晶體管阱和柵極，”他說。他建議 IC 設(shè)計(jì)人員使用保護(hù)環(huán)來治療熱載流子注入。

大多數(shù)制造商都提供外部和片上溫度傳感，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠測量環(huán)境溫度和電池溫度。然后，設(shè)計(jì)人員可以將這些溫度納入充電和安全算法?？煽啃詥栴}也促使汽車制造商要求完全冗余的測量系統(tǒng)。在這些設(shè)置中，一組菊花鏈芯片進(jìn)行測量，另一組芯片使用比較器監(jiān)督測量設(shè)置最小和最大限制。Intersil 等制造商努力確保芯片到芯片的串行通信是無源的，因?yàn)槿绻粋€(gè)芯片發(fā)生電氣故障，它仍然會通過菊花鏈中的所有其他芯片的通信。大多數(shù)電池組測量芯片還具有雙向串行通信功能，允許您使用系統(tǒng)的 BMU(電池管理單元)微控制器查詢芯片，以確保芯片已通電并正常工作。

除了這種系統(tǒng)級冗余之外，許多制造商還在他們的芯片中構(gòu)建了冗余和自測。Intersil 汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Kenneth Lenk 指出，芯片包括多個(gè)電壓基準(zhǔn)。該公司還在其芯片中集成了隱藏的 DAC，用于校準(zhǔn)和自檢，headds。

大多數(shù)制造商強(qiáng)調(diào)他們的設(shè)備具有無源通信鏈路。即使芯片出現(xiàn)故障，這些鏈接也將繼續(xù)工作。根據(jù) ADI 公司精密放大器產(chǎn)品線經(jīng)理 Sam Weinstein 的說法，制造商不僅要建立內(nèi)部冗余，而且還要確保冗余安全芯片正常工作。他指出，BIST(內(nèi)置自測)成本高昂，但對于滿足要求來說是必不可少的汽車行業(yè)的要求。

一個(gè)工程委員會正在努力將汽車電池組系統(tǒng)的故障保護(hù)和冗余特性正式化為 ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)26262 標(biāo)準(zhǔn)，該組織預(yù)計(jì)將于今年發(fā)布。開發(fā)人員從工業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)中采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它將為電動汽車中的模擬、數(shù)字和軟件組件提供全面的指導(dǎo)方針。德州儀器、模擬設(shè)備、意法半導(dǎo)體和恩智浦等公司正在努力為這些關(guān)鍵任務(wù)提供模擬和數(shù)字硬件先進(jìn)的動力總成模塊。