电池管理和牵引逆变器系统设计的特点

引言

技术创新将解除电动汽车大规模采用的最后障碍

目前有两个主要的中断影响车辆运输和半导体技术的未来。首先是从内燃机转向电动机驱动。第二个是基于宽带隙材料的新型功率开关（用于电机驱动系统）的出现。这些提供的品质因数比现有的基于硅的解决方案好 10 倍。然而，由于电池占最终车辆成本的 25% 以上，优化能源使用是实现大规模电动汽车 （EV） 采用的关键之一。实现这一目标意味着认识到每一瓦的消耗都是至关重要的，并将子系统效率作为汽车系统设计中最重要的选择标准。

动力系统电源管理的最新进展（见图 1）——包括隔离式栅极驱动器、传感和 BMS——为设计人员提供了发挥创意的机会，以提高系统效率，同时控制系统成本。

图 1. EV 动力总成系统。

新型隔离栅极驱动器技术

碳化硅 （SiC） MOSFET 以 EV 传动系统中的下一代牵引逆变器为目标，凭借其自身的优点，被广泛预期与现有的标准 EV 行驶周期相比，其续航里程将增加 4% 至 10%基于硅的技术。1 与支持组件一起得到适当利用，这种能效提升可能代表着在建立消费者对电动汽车续航里程的信心方面向前迈出的一大步，从而有助于加速电动汽车的采用。

隔离式栅极驱动器的首要目标是保护人员和设备免受 SiC 开关两端的高压影响。第二个是确保通过隔离栅的传播延迟短而准确。实际上，在支路配置中，与牵引逆变器系统一样，有两个晶体管（一个高侧和一个低侧），它们不应同时导通以避免短路。出于这个原因，来自微控制器并进入晶体管栅极的脉宽调制 （PWM） 信号需要具有类似的传播延迟。然后，由于需要补偿任何延迟，因此较短的传播延迟可实现最快的控制环路。

除此之外，隔离式栅极驱动器将负责设置最佳开关最佳点、控制电源开关过热、检测和防止短路，以及促进子模块驱动/开关功能的插入。 ASIL D 系统。

SiC 开关的所有固有优势都将被常见的噪声扰动以及由于在管理不善的电源开关环境中产生的超快电压和电流瞬变而产生的极高和破坏性电压过冲所抵消。从广义上讲，尽管有底层技术，SiC 开关的功能相对简单——它只是一个 3 端子器件——但它必须小心地与系统接口。

隔离：系统效率的关键要素

SiC 开关引入的高压摆率瞬变会破坏隔离栅上的数据传输，因此测量和了解系统对这些瞬变的敏感性至关重要。基于具有厚聚酰亚胺绝缘层的变压器（参见图 2）的技术表现出理想的共模瞬态抗扰度 （CMTI），测量性能高达 200 V/ns 甚至更高。聚酰亚胺绝缘技术在安全操作下释放了 SiC 开关时间的全部潜力。

图 2. 具有厚聚酰亚胺绝缘层的变压器。数字隔离器使用代工 CMOS 工艺。变压器是差分的，可提供出色的共模瞬态抗扰度。

开关能量和电磁兼容性 （EMC） 同样可以最大化，以提高功率性能，并最终提高 EV 续航里程。更高的驱动能力使设计人员能够拥有更快的边沿速率，从而降低开关损耗。更高的驱动能力不仅有助于提高效率，而且无需为每个栅极驱动器分配外部缓冲器，从而节省电路板空间和成本。相反，在某些条件下，系统可能需要更慢地切换以实现最佳效率，甚至在研究表明可以进一步提高效率的阶段。ADuM4177 _预发布的 30 A 栅极驱动器提供一流的驱动强度、可调压摆率（参见图 3）和 SPI。该器件的额定峰值为 1500 V，直流工作电压符合 DIN VDE V VD0884-11，可用于 400 V 或 800 V 系统。图 4 和图 5 显示了 600 V/460 A 时 11 mJ 的开启和关闭开关能量。我们还可以注意到开启时的最小振铃，以及非常可控的关闭时的过冲。

图 3. ADuM4177 的压摆率控制。

图 4. 驱动 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 时显示 11 mJ 开启。

图 5. 驱动 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 下显示 11 mJ 关断。

不妥协的稳健性

考虑到更小的芯片尺寸和严格的热包络，短路是基于 SiC 的功率开关 （MOSFET） 的主要障碍。栅极驱动器为 EV 动力总成的可靠性、安全性和生命周期优化提供必不可少的短路保护。

高性能栅极驱动器已在实际测试中证明了其价值。在包括短路检测时间和总故障清除时间在内的关键参数中，性能可分别低至 300 ns 和 800 ns。为了获得额外的安全和保护，测试结果证明了可调节的软关机功能对于系统平稳运行至关重要。

进入磁阻 （MR） 电流传感器技术

如图 1 所示，需要为逆变器控制回路检测直流和相电流。使用 SiC 功率开关，更高的开关速率和开关频率是可能的，当控制回路有足够的相位裕度时，这可以带来更高的效率和更好的负载调节。为了在开关频率下实现恒定响应和低相位延迟，电流测量的频率需要至少高十倍。这使得电流传感解决方案的带宽成为充分利用 SiC 开关的关键因素。

霍尔传感器，实现最高性能的障碍

在牵引逆变器中测量电流的传统方法使用霍尔传感器，该传感器通过测量流过导体的电流产生的磁场来工作。然而，它们缺乏灵敏度，需要使用通量集中器（或磁芯）来放大磁场，以便对其进行测量。结合霍尔传感器和磁芯的模块广泛可用，但可能会对系统设计造成重大限制。这些模块很重、体积大，并且容易受到机械损坏，这可能会成为导致现场返回的可靠性问题。此外，磁芯中磁性材料的存在将对频率响应产生强烈影响，除非使用特殊且昂贵的材料。今天，这些模块的带宽限制在 50 kHz 到 100 kHz。

使用分流解决方案的挑战

另一种测量较低电流的方法是通过分流器、电流检测放大器和模数转换器 （ADC）。分流器已经存在很多年了，随着时间的推移不断改进，以实现它们众所周知的稳定性。然而，分流解决方案的两个主要缺点是自热（功耗为 R×I²）以及在某些应用中需要隔离。降低分流电阻可以减少自热，但这也会降低相关信号的幅度。分流器还具有寄生电感，它限制了待测电流的带宽。由于存在这些限制，电力系统必须寻求不同的技术来解决当前的测量挑战。

下一代电流测量和更简单的系统设计：MR 传感器

MR 传感器还通过测量流过导体的电流产生的磁场来工作。但是，MR 传感器比霍尔传感器灵敏得多，因此无需磁芯。如果没有这个障碍，MR 传感器本身的固有功能（例如高带宽、精度和低偏移）允许更简单的系统设计。

去除笨重的磁芯意味着必须额外注意相位之间的串扰和外部磁干扰的可能性。Analog Devices 的解决方案利用 MR 传感器的设计灵活性来减弱此类干扰的影响。ADI 提供设计指南和工具来帮助工程师设计无芯电流测量系统。

使用 AMR 传感器的无芯传感

图 6 显示的解决方案不仅比基于磁芯的解决方案带宽更高、更准确、更轻，而且还构建在标准 PCB 上，从而降低了系统复杂性和集成成本。它呈现了一个环形架构，由六个各向异性磁阻 （AMR） 传感器组成，这些传感器排列成一个圆圈，以整合要测量的磁场。磁场的集成将抑制外部杂散场，从而实现对均匀杂散场的高抑制和低串扰。每个单独的传感器都感应由放置在电路板中心的电线/母线产生的磁场。这些传感器的输出在模拟域中相加，产生的电压输出与流入导体的电流成正比。

图 6. 采用环形架构的无芯传感。

可以改变使用的传感器数量，以实现对杂散场或环内导线放置容差的不同级别的鲁棒性。环的直径可以按比例放大或缩小以匹配系统的目标电流范围。通过这种方式，单一设计方法（但可能具有多种尺寸）允许跨系统和平台重用，从而缩短开发时间并降低系统成本。

ADI 将发布面向仪表和工业市场的 ADAF1080。ADAF1080 具有高磁性范围、固有隔离测量以及在整个寿命和温度范围内的零偏移，从而在闭环系统中实现低输出纹波和高效率，为下一代电流测量铺平了道路。ADAF1080 可以实现非接触式和无芯电流测量，具有高达 2 MHz 的 3 dB 带宽。这些性能共同提高了逆变器的效率，进而扩展了车辆的续航里程。

能源管理

在迈向最高性能的道路上，无论电动汽车处于“开启”、“待机”还是“睡眠”模式，每一瓦特都很重要。尖端的电源管理解决方案可以进一步提高整体车辆效率，这与额外的里程相关，同时不会影响从低电流/低电压到高电流/高电压应用的最佳 EMC 性能。

高压反激电路的设计挑战

在功能安全的系统中，电压供应的连续性至关重要。从高压电池生成本地低压轨起着关键作用。在传统的隔离式高压反激式转换器中，使用光耦合器将调节信息从次级侧参考电路传输到初级侧来实现严格调节。问题是光耦合器极大地增加了隔离设计的复杂性：存在传播延迟、老化和增益变化，所有这些都会使电源环路补偿复杂化，并会降低可靠性。此外，在启动期间，需要一个泄放电阻器或高压启动电路来为 IC 初始供电。除非在启动组件中添加额外的高压 MOSFET，否则泄放电阻器是不受欢迎的功率损耗源。

无需光耦合器

通过对来自第三个绕组的隔离输出电压进行采样，无需光耦合器进行调节。输出电压通过两个外部电阻器和第三个可选温度补偿电阻器进行编程。边界模式操作有助于实现出色的负载调节。由于在次级电流几乎为零时检测输出电压，因此不需要外部负载补偿电阻器和电容器。因此，该解决方案的元件数量很少，大大简化了隔离式反激式转换器的设计。

启动优化

使用内部耗尽型 MOSFET（具有负阈值电压并且通常处于开启状态），无需外部泄放电阻器或其他启动组件。一旦对本地 12 V 电容器充电，耗尽型 MOSFET 就会关闭以减少功率损耗。

超低静态电流

为了实现超低静态电流，应实施多种机制。应在轻负载时降低开关频率，同时保持最小电流限制，以便在正确采样输出电压的同时降低电流。在待机模式下，通过将其开关频率降低 16 倍（3.5 kHz 至 220 kHz）以及将预负载电流保持在低于全输出功率的 0.1%，LT8316的静态电流低于 100 µA。

极宽输入范围操作（18 V 至 1000 V）

LT8316 额定在高达 600V 的 VIN 下工作，但可以通过将一个齐纳二极管与 VIN 引脚串联来扩展，以进一步提高解决方案的可扩展性。齐纳二极管两端的电压降降低了施加到芯片上的电压，使电源电压超过 600 V。将 220 V 齐纳二极管与 VIN 引脚串联，启动的最小电源电压为 260 V，给出或采取，考虑齐纳二极管的电压容差。请注意，启动后，LT8316 将在低于 260 V 的电源电压下正常工作。

图 7. LT8316 反激式转换器的效率。

图 8. LT8316 反激式转换器的负载和线路调节。

图 7 显示了不同输入电压下的效率，反激式转换器实现了 91% 的峰值效率。即使没有光耦合器，不同输入电压下的负载调节仍然很严格，如图 8 所示。

电池管理系统

BMS 密切监视和管理多节电池组的充电状态 （SOC）。对于大型、高压电池组，例如电动汽车中的电池组，准确监控每个电池单元和整体电池组参数对于实现最大可用容量以及确保安全可靠运行至关重要。BMS 的准确性将从电池中释放更多能量，这直接转化为电动汽车每次充电可以提供的里程数，最大限度地延长电池的整体寿命，从而降低拥有成本。

2009 年，凌力尔特（现为 ADI 的一部分）将第一款电池监视器 IC 推向市场。它与运算放大器、多路复用器和 ADC 集成以测量电池电压和温度。10 多年后，ADI 凭借 100 多款车型的 5 代路经验证设备，引领 BMS 行业。

生命周期总测量误差 （LTME）

我们最近发布的 BMS 产品是ADBMS6815（参见图 9），它具有行业领先的 1.5 mV LTME。相对于行业基准，这几乎是 LTME 的 2 倍。

汽车 OEM 和 Tier 1 已确认每 mV 的 LTME 对 SOC 估计的影响超过 5%，因此要求 OEM 在报告车辆的剩余续航里程时过于保守。对于价值 9000 美元的高压电池组，SOC 估计中 1% 的误差会使系统每 mV 误差损失约 90 美元。LTME 包括热滞后、回流焊、量化误差（噪声）、湿度敏感性和长期漂移。

在使用 16 个 12 通道器件的 800 V 系统中，与具有 1.5 mV 误差的 ADBMS6815 相比，4 mV 误差（最先进的技术）具有约 225 美元的总拥有成本，同时实现了更好的 SOC 估计和扩展 EV 范围。

图 9. BMS 多单元解决方案的 ADBMS6815 应用图。

ADBMS6815 有两个 16 位 sigma-delta ADC，每个 ADC 多路复用在 8 个通道上，并带有 8 个可编程过采样率，允许低至 26 Hz 和高达 27 kHz 的滤波。凭借 300 mA 的电池平衡能力，ADBMS6815 消除了外部放电开关，每个 BMS IC 也节省了约 0.50 美元。此外，该设备完全支持最新要求，即使在车辆钥匙关闭时也能通过监控电池来对电池热问题进行早期预警。

无线 BMS （wBMS）

wBMS 解决方案代表了三大技术支柱的组合，即 BMS 性能、无线电解决方案和网络协议技术。wBMS 系统解决方案专为汽车电池管理用例定制，为下一代电动汽车提供安全、可靠、稳健且可扩展的端到端 wBMS 系统解决方案。

wBMS 系统的核心是射频网络。该网络在 2.4 GHz 频段运行，是一个冗余星形拓扑。这意味着网络中的每个节点都可以直接与 2 个管理器中的 1 个进行通信。该网络还支持 2 跳故障转移模式，在这种模式下，如果发生通信故障，节点可以通过另一个节点跳回网络管理器来继续通信。wBMS 系统是专门为电池组和 EV 环境构建的网络。该无线系统将高性能 2.4 GHz 无线电与时间信道跳跃 MAC 层和提供确定性以及路径、时间和频率分集的网络层集成在一起。这些关键特性结合起来克服了操作环境中的链路和干扰挑战。

取消电池组线束是 wBMS 与 BMS 不同的主要特征之一（参见图 10 和图 11）。根据电池组架构，这可以为下一代电动汽车节省多达 90% 的布线和电池组系统中多达 15% 的体积，从而减少电池组材料和更高（能量）密度的电池组的可能性。

电池组通信线束的移除也消除了对汽车设计的严格限制。这使得模块化包装系统能够实现更简单的包装、自动化/机器人组装以及时间和成本效益高的制造过程。更简单、更模块化的电池组设计开启了跨电动汽车产品组合重复使用设计的可能性，并带来了不受容纳大量线束和连接器组件限制的设计灵活性。

图 10. BMS 系统中 12 个模块的典型有线包。

图 11. wBMS 系统中由 12 个模块组成的典型无线包。

wBMS 是二次电池组的关键推动力

为了进一步改善车辆的整体碳平衡，考虑电池组的第二次使用至关重要。电池组应在其整个生命周期内受到密切监控，而 wBMS 使这很容易实现。

在寿命开始时，电池模块在组装之前可能会在运输或仓库库存中花费很长时间。无线 BMS 可实现持续的开路电压和温度监控，从而可以在早期故障成为问题之前识别它们。此外，寿命可追溯性和监控也可以在电池组组装之前和整个电池生命周期内连续存储/更新在独立的无线启用电池模块上。这些特性与通信线束的消除相结合，可以更轻松且经济高效地过渡到电池组的第二次使用。

结论

ADI 的动力总成创新解决方案，例如一组具有超过 150 V/ns CMTI 保护和低于 1 μs 短路保护的新型隔离式栅极驱动器，正在释放基于 SiC 的新型高性能牵引逆变器系统的全部潜力。

重要的是要注意，栅极驱动器和 SiC 开关解决方案的综合价值和性能可能会因周围组件的妥协和/或低效率而被完全抵消。包含广泛设计考虑因素的系统级方法是性能优化的关键。

在电池管理方面，ADI 的产品通过提供卓越的电池感应、最高级别的汽车安全性、最广泛的 EV BMS 设备组合以及最具创新性、多功能的系统级解决方案来应对 EV 设计挑战。

尽管 OEM 采用 wBMS 面临的挑战在于规划对设计、验证和制造基础设施的重大投资，但从长远来看，wBMS 预计将更具成本效益和其他优势，为提高电池能量密度、改善设计重用和灵活性，并启用扩展功能。

作者：Timothé Rossignol，Kate O’Riordan，Maurizio Granato，Wei Gu，Brian O’Mara，Guilhem Azzano，Sarven Ipek

审核编辑：郭婷