作者：Manfred Brandl/Gernot Hehn
在半导体业者的努力下，新一代电池堆栈监控芯片已可同时比较电池电压与参考电压，达到更精密且精准的电压检测，以及可靠的电池状态评估，并大幅降落目前汽车锂电池管理系统(BMS)对软件与高流量数据传输设计的需求。
如果欧洲政府能迈向另一个成功，未来几年内我们将瞥见更多稠浊动力车与纯电动车行驶于道路上；而由于目前汽车以锂离子作为电池化学物质的首选，锂电池管理系统(BMS)势必在将来迅速盛行。
在汽车领域中，许多新设计案件都有ISO26262功能安全标准的影身影；从ISO2626设计与文件制作过程，看得出技能职员对付汽车系统设计所做的努力。锂电池BMS的运用涵盖繁芜的软件与前辈处理器的设计，让汽车供货商希望能纳入比ISO26262协议更多的资源。
新的电池管理系统架构只须要大略的低级微掌握器(MCU)，同时还能改进电池监控性能。本文将阐述它的构造，以及如何使遵照ISO26262协议的过程更加顺利。
汽车系统设计首重功能性安全
现今汽车设计系统对付功能性安全的考虑，已逐渐超过原来对外不雅观设计的看重，而且严谨的安全设计须要良好的故障检测功能，才能确保系统在一样平常利用情境中是安全的。以上都是促进功能性安全设计发展的成分。
在安全哀求较高的系统内，遵照协议的包袱会由于半导系统编制造商严谨的行为模式与硬件组件流程设计的文件制作，而大大减轻，如车用IC开拓商供应客户故障韶光(FIT)、缺点模式与安全功能等数据，并记录在「失落效模式影响与诊断剖析数据(FMEDA)」上。
若须从监测系统中的锂电池读取主要电压读数，BMS要在传感器与高等处理器间，建置构造繁芜的软件与高灵敏的通信链接。然而，要进一步证明这些链接符合ISO26262功能安全标准，对BMS制造商而言会是很大的难题与寻衅。
新BMS设计架构出炉
BMS的基本功能是安全地管理电池、延长它的生命周期与缩短充电韶光。以锂电池而言，BMS会持续供应充电状态(SOC)、康健状态(SOH)与电压的状态，让驾驶节制运作环境；而系统也会以此决定充电或放电的程序、诊断潜在失落误并实行因应方法以确保功能性安全。
化学电池的实质是利用可燃物质与氧气供应小容量的能源储蓄能力，以是锂电池比一样平常密封的铅蓄电池更无法容许物质滥用，特殊是电池电压与电池温度必须根据规定严格掌握，以避免电池破坏、失落效与燃烧等会威胁到安全性的隐忧。
在业界所研发的新构造中，BMS采取电池组监控器与电池监控系统。电池组监控器能丈量电池整体的电压、温度与电流，是由双信道传感器接口及精密分流电阻与精密电池组电压衰减器实作而成。
电池监控器能丈量个别电池电压与特定区域温度，只要比较总电压与量测到的电池电压，它就可以确认BMS是否良好运作。这种设计的好处在于它是由完备独立的丈量系统，来验证涵盖感测线至软件比较器的全体电池丈量旗子暗记路径。与传统让每颗IC都符合功能性安全的设计比较，新的架构可供应更全面的系统层级验证。
目前的传统构造虽然能精准量测个别电池电压与检测电池SOC，然这种方法与锂电池特性冲突：锂电池电压在放电20?80%之间险些不动，装置必须能丈量到极眇小的电压，才能准确追踪SOC变革，但车用锂电池会耗费所有韶光在检测SOC放电状态。由于电池必须保留顶部空间以接管运转产生的再生能量，因此一样平常来说不会将电池完备充满。
想要达到极精密与精准的汽车电池电压量测试，是险些行不通的。相较之下，以零偏移的芯片进行分流器电流检测会更大略、精准，它加强库伦整合方法，纵然由相对不精准电压来打算，也能有精准与可靠的SOC评估。
过度繁芜的软件渐不适用
当监控电池电压时，目前惯用的方法是先依序丈量个别电池电压，并尽可能实时传送数据至主机掌握器。掌握器软件会将电压与电流读数转换成SOC、SOH与电池安全事情区剖析等实用数据。
此方法紧张的毛病在于对繁芜软件与高流量数据传输的需求。
BMS须要有良好处理能力的掌握器才能负荷繁芜的程序，但是价格相比拟较昂贵。
繁芜的安全系统软件设计与功能性安全验证，会须要很长的研发韶光与很高的本钱。
传感器与主机间的电压读数传输时，系统必须战胜噪音与隔间的滋扰，同时管理高电压至低电压区域传送。隔离耦合器与外壳等的外部组件也会增加系统的本钱与繁芜度。
供应更简化构造区域电池监控问世
现已有汽车锂电池的全新管理技能可以运用，此技能采取可进行区域监控的新IC。电压丈量以仿照功能实行，通过比较器将电池电压与参考电压做比较。
关键在于将电池电压同时进行比较，而非依序量测，这会供应更多可靠结果。在连续系统中，一个电压丈量值与下一个之间的区间负载变革，会造身分歧电池间的电压，其电压差异随意马虎误导管理者，由于没有繁芜的运用软件与带韶光标记的电压读数、电流丈量配对，每每会有无效的BMS读数，进而为考虑到负载变革而进行电压读数补偿。以上为该软件扩展至现今BMS系统的开拓与规范流程。
新一代的电池堆栈监控器IC(图1)，电池电压可同时与全体电池链比较。而电池链则由三十二个各能支持七个电池的IC堆栈而成，统共有二百二十四颗电池。由于新款电池堆栈监控芯片是同时比较所有电池，而非依序比较，因此不需其余的软件程序来补偿负载变革产生的效果。至于SOC与SOH评估的部分，传统BMS整合了12位连续渐进缓存器(SAR)仿照数字转换器(ADC)以丈量绝对电池电压。每当须要SOC/SOH评估和诊断时，这些丈量数据就会通过菊花链(Daisy Chain)低速传送到主机。所有须要实时完成的监控与平衡决策，会在硬件上进行，直接由诊断标志做沟通，因此快速并非沟通通道的必要需求。
图1 新一代电池堆栈监控芯片可同时比较电池电压，因此省去依序实行电池量测并在软件中比较时所需的繁芜补偿算法。
新一代电池堆栈监控芯片能让各模块中的七颗电池电压比较偏差范围缩至仅±1mV。整合的比较功能让该芯片能实现局部电池被动平衡。汽车制造商采取的高质量锂电池中，自放电电流或电流监控IC引出电流之间的眇小差异，会产生电池间的SOC不平衡，进而产生电压。这些眇小的平衡差异可以由小于100毫安、上述可程序临界值上限电压的电流平衡放电纠正，这是该芯片中具备的切换能力。
新款电池堆栈监控芯片不必要与主机通讯就能达到电池平衡，其极高的电压精准度能够平衡SOC中间的磷酸铁锂电池，而这七颗电池之间的电压差，则眇小到乃至能被忽略。为支持BMS，该芯片必须把它的绝对读数传给掌握器，但是对系统设计师来说，由于该架构支持双向沟通，比较随意马虎达到安全性功能目标。诊断旗子暗记有先后处理顺序：当电池电压在安全临界值，旗子暗记必须立时送至掌握器，以采纳必要的反制方法。旗子暗记会通过专用CVT_NOK_OUT点传送，以警告微掌握器有一个或多个事情电压范围外的电池电压。
SOC与SOH监控的目的在于通过替代链接传送个别电池电压读数，该替代贯串衔接为缓慢且稳定的信道序列与循环冗余考验(CRC)，具有高度的抗滋扰性。
锂电池监控与平衡若采取可供应同步电压比较与区域被动电池平衡的架构，整体运用会更大略、本钱也能降落，让汽车制造商免于本钱过高的困扰，也能降落目前锂电池管理系统中以软件为根本的汽车监控与平衡的繁芜度。
