电池堆栈监控芯片架构翻新汽车BMS设计更精简

    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，并大幅降低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，未来几年内我们将看见更多混合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，看得出技术人员对于汽车系统设计所做的努力。锂电池BMS的应用涵盖复杂的软件与先进处理器的设计，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需要简单的低级微控制器(MCU)，同时还能改善电池监控性能。本文将阐述它的结构，以及如何使遵循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于功能性安全的考虑，已逐渐超过原先对外观设计的注重，而且严谨的安全设计需要良好的故障检测功能，才能确保系统在一般使用情境中是安全的。以上都是促进功能性安全设计发展的因素。
    在安全要求较高的系统内，遵循协议的负担会因为半导体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开发商提供客户故障时间(FIT)、错误模式与安全功能等数据，并记录在「失效模式影响与诊断分析数据(FMEDA)」上。
    若须从监测系统中的锂电池读取重要电压读数，BMS要在传感器与高级处理器间，建置结构复杂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挑战。
    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时间。以锂电池而言，BMS会持续提供充电状态(SOC)、健康状态(SOH)与电压的状态，让驾驶掌握运作情形；而系统也会以此决定充电或放电的程序、诊断潜在失误并执行因应措施以确保功能性安全。
    化学电池的本质是利用可燃物质与氧气提供小容量的能源储蓄能力，所以锂电池比一般密封的铅蓄电池更无法容许物质滥用，特别是电池电压与电池温度必须根据规定严格控制，以避免电池损坏、失效与燃烧等会威胁到安全性的隐忧。
    在业界所研发的新结构中，BMS采用电池组监控器与电池监控系统。电池组监控器能测量电池整体的电压、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。
    电池监控器能测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全独立的测量系统，来验证涵盖感测线至软件比较器的整个电池测量信号路径。与传统让每颗IC都符合功能性安全的设计相比，新的架构可提供更全面的系统层级验证。
    目前的传统结构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%之间几乎不动，装置必须能测量到极微小的电压，才能准确追踪SOC变化，但车用锂电池会耗费所有时间在检测SOC放电状态。由于电池必须保留顶部空间以吸收运转产生的再生能量，因此一般来说不会将电池完全充满。
    想要达到极精密与精准的汽车电池电压量测试，是几乎行不通的。相较之下，以零偏移的芯片进行分流器电流检测会更简单、精准，它加强库伦整合方法，即使由相对不精准电压来计算，也能有精准与可靠的SOC评估。
    过度复杂的软件渐不适用
    当监控电池电压时，目前惯用的方法是先依序测量个别电池电压，并尽可能实时传送数据至主机控制器。控制器软件会将电压与电流读数转换成SOC、SOH与电池安全工作区分析等实用数据。
    此方法主要的缺陷在于对复杂软件与高流量数据传输的需求。
    BMS需要有良好处理能力的控制器才能负荷复杂的程序，但是价格相对比较昂贵。
    复杂的安全系统软件设计与功能性安全验证，会需要很长的研发时间与很高的成本。
    传感器与主机间的电压读数传输时，系统必须克服噪音与隔间的干扰，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成本与复杂度。
    提供更简化结构区域电池监控问世
    现已有汽车锂电池的全新管理技术可以应用，此技术采用可进行区域监控的新IC。电压测量以模拟功能执行，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，这会提供更多可靠结果。在连续系统中，一个电压测量值与下一个之间的区间负载变化，会造成不同电池间的电压，其电压差异容易误导管理者，因为没有复杂的应用软件与带时间标记的电压读数、电流测量配对，往往会有无效的BMS读数，进而为考虑到负载变化而进行电压读数补偿。以上为该软件扩展至现今BMS系统的开发与规范流程。
    新一代的电池堆栈监控器IC(图1)，电池电压可同时与整个电池链比较。而电池链则由三十二个各能支持七个电池的IC堆栈而成，总共有二百二十四颗电池。因为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，因此不需另外的软件程序来补偿负载变化产生的效果。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)模拟数字转换器(ADC)以测量绝对电池电压。每当需要SOC/SOH评估和诊断时，这些测量数据就会通过菊花链(Daisy Chain)低速传送到主机。所有需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，因此省去依序执行电池量测并在软件中比较时所需的复杂补偿算法。
    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误差范围缩至仅±1mV。整合的比较功能让该芯片能实现局部电池被动平衡。汽车制造商采用的高质量锂电池中，自放电电流或电流监控IC引出电流之间的微小差异，会产生电池间的SOC不平衡，进而产生电压。这些微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须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，则微小到甚至能被忽略。为支持BMS，该芯片必须把它的绝对读数传给控制器，但是对系统设计师来说，由于该架构支持双向沟通，比较容易达到安全性功能目标。诊断信号有先后处理顺序：当电池电压在安全临界值，信号必须马上送至控制器，以采取必要的反制措施。信号会通过专用CVT_NOK_OUT点传送，以警告微控制器有一个或多个工作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，该替代连结为缓慢且稳定的信道序列与循环冗余检验(CRC)，具有高度的抗干扰性。
    锂电池监控与平衡若采用可提供同步电压比较与区域被动电池平衡的架构，整体应用会更简单、成本也能降低，让汽车制造商免于成本过高的困扰，也能降低目前锂电池管理系统中以软件为基础的汽车监控与平衡的复杂度。