EV电池的隐藏功臣，BMS技术

与燃油箱是单个储能装置不同，电动汽车 （EV） 电池组由数百个锂离子电池组组成。这些电池的容量和使用寿命会随着时间而不同，除非仔细管理。电池管理系统 （BMS） 的工作是尽可能从每个电池中提取容量和使用寿命，同时提高安全性和可靠性。电池监控IC是该系统的核心。利用IC提供的电池测量值，可以计算每个单元的充电状态（SOC）和老化状态（SOH）作为确定电池状态的主要参数。 本文介绍了 ADBMS6815 高压电池单元监控 IC 系列的 Analog Devices。这些 IC 产品可用于最大化电动汽车电池组的容量、安全性、可靠性和使用寿命。

前缀

随着汽车行业几十年的逐步标准化，技术和品牌的差异化变得相当弱。动力总成是将能量转化为运动的系统，可能是汽车公司最宝贵的智力资产（IP）。一百多年来，动力总成一直在不断的技术进步。随着全新的汽车公司不断涌出，动力总成面临着全面的挑战。

典型的内燃机 （ICE） 汽车包括高达 15 加仑（约 57 升）的燃油箱。这相当于大约 500 kWhr 的电能。15加仑汽油可以跑375英里（603公里）的ICE。但是，如果电能为 500 kWhr，则 EV 可行驶 1，450 英里（2，333 公里）。在燃油经济性方面，这种绝对优势将使EV成为最终的赢家。然而，在这样的旅程中，还有一段尚未修复。EV 今天面临的最大挑战是，它没有足够的电池容量来与 ICE 汽车的续航里程相媲美。

需要解决的挑战

EV 电池组由数百个电池组成。这些电池串联工作，产生 400 V 至 800 V 的电压。过度充电或过度放电会损坏细胞或导致细胞突然老化。这导致容量或寿命的缩短，并最终导致电池故障。BMS 的主要功能是计算和控制构成包的每个单元的 SOC 和 SOH。将锂离子电池充电至 100% SOC 或放电至 0% SOC 会降低电池容量。为了计算SOC，必须测量电池电压和温度，这种测量精度直接影响SOC的管理效果。简而言之，BMS 中的电子器件在最大化 EV 电池系统的操作范围、使用寿命、可靠性和安全性方面起着关键作用。

精确、连续地测量所有串联高压电池单元绝非易事。此测量不应受逆变器、执行器、开关、继电器等产生的高电气噪声的影响。测量设备本身也必须与电池组的高电压进行电气隔离。此外，这些设备必须承受机械磨损、天气条件和车辆里程老化，并东海多年。

BMS 的关键要素

作为行业领先的 IC 和解决方案供应商，ADI 的电池管理系统 （BMS） 产品专注于几个关键领域。这包括单个单元测量（单元监控）、完整包测量（包监控）、用于连接它们的通信网络（有线或无线网络）以及用于控制这些设备的软件。使用这些组件的目的是在整个包装中存储最大能量，同时将所有电池组安全地充电到最大容量，并最大限度地提高 EV 的续航里程。

其中，一个特别重要的设备是高压单元监控IC。电池监控 IC 测量串联电池单元的电池电压和温度，通常有 12 个通道。电池电压和温度是主要参数，测量精度和同步性是主要特征。

结合这些信息，BMS 使单元在各自的安全操作范围内以最大容量运行。因此，这些电池监控设备在最大化车辆行驶里程、降低成本和重量以及提高可靠性方面的作用至关重要。这是因为此处发生的测量误差会妨碍有效的电池管理。ADI 的 BMS 产品始终提供业内最精确的测量能力。

ADI最近推出的亚行MS6815精密电池监控IC系列具有安全性、性能和成本效益的所有特性。目前，该系列由三个不同通道的监控产品组成。亚行MS3监控6816个电池单元，亚行MS6串联监控6817个电池单元，亚行MS8串联监控6815个电池单元。它提供三种不同的电池单元，以满足各种电池组配置要求，以实现广泛的电池组配置。

此外，这些 IC 的各种组合可以构建所需数量的单元监控通道。由于操作环境还包括恶劣的电气噪声，因此这些产品通过包括可设置的低通滤波（低通滤波）来降低噪声并实现高精度测量。

图1： 多芯电池监控IC

ADI的BMS通信技术

亚行MS6815单元监控IC系列是isoSPI™它旨在使用称为 2 线的通信接口进行菊花链连接。isoSPI™是可靠的，对 EMI 具有较高的耐受性，通过实现电气隔离网络，ADI 的 BMS 设备可以从 BMS MCU 同步运行、轮询和控制。同步测量包中的所有单元，并使用包监控设备监控包电流和封装电压。可以使用此菊花链为每个设备配置一个路径，也可以使用双路径作为环路配置运行。环路配置允许在发生导线或连接器故障时访问所有单元监控设备的数据。

亚行MS6815系列也可以作为无线BMS（wBMS）运行。在这种情况下，必须将有线菊花链从蜂窝监控设备更改为 2.4 GHz 无线 BMS 节点。

图 3：wBMS 以无线方式替换通信导线。

安全

在 BMS 的所有要求中，电池组的安全性尤为重要。为了检测和处理 IC 中的潜在缺陷，需要与 BIST（自带）功能冗余。解决方案包括冗余测量路径、输入信号之间的增强同步、自检功能等。

亚行MS6815系列旨在满足ISO 26262 ASIL-D标准。

ISO 26262 是一项普遍采用的汽车功能安全标准，旨在确保车辆电气设备和系统的整个生命周期的安全。ASIL-D 等级是 ISO 标准定义的最高级别的汽车安全要求。通过认证 ADI 产品符合 ASIL-D 标准，使使用 ADI 部件的汽车制造商能够减少获得认证所需的时间。

此外，通过满足 ISO 26262 标准，设计人员可以轻松实现其他功能安全标准，如 IEC 61508。

低功耗电池监控

BMS 不仅为汽车驱动提供可靠、可预测和可靠的能源，而且确保电池本身始终安全运行。在极少数情况下，电池故障会导致电池短路，随着时间的推移，产生热失控，并可能导致严重后果。因此，BMS 应能够立即检测到任何异常情况。

电池未使用，因此不会停止活动。作为电化学元件，即使不使用电池，其特性也会随时间而变化。也就是说，即使车辆关闭，单元内的问题也将继续存在。因此，为了持续监控电池组内的电池，即使在车辆关闭的情况下，ADI 也开发了称为低功耗电池监控 （LPCM） 的电池。LPCM 是一种进化的电池监控功能，可自行定期测量电池的关键参数。当使用 LPCM 功能检测到任何异常时，蜂窝监控设备会向 BMS 发送警报，以便采取必要的措施。当单元监视设备未定期做出正常的确认响应时，也会向 BMS 发送警报。

在下面的视频中，您可以看到 ADI 如何在发生此类问题时解决这些问题：https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html

灵活性、功能性和经济性

除了上述安全性、可靠性和性能外，ADBMS6815 系列还具有满足各种应用需求的特性。由于这些设备产品具有相同的封装和引脚，因此支持的通道数可以适当地组合不同的产品（每个设备 6 个、8 个、12 个电池单元监控），以满足各种电池组或电池模块配置。这些产品还可用于数字输入、数字输出或模拟输入的通用 I/O。当用作模拟输入时，可以测量 5 V 以内的任何电压，测量精度与电池测量相同。通过将单个单元测量与辅助测量（如温度或电流）同步，可以更精确地进行 SOC 计算。

此外，由于这些 I/O 引脚可以控制 I2C 或 SPI 子诺德设备，因此可以实现更复杂的功能，如添加多路复用器以扩展模拟输入或使用 EEPROM 存储校准信息。最后，这些产品包括电池平衡功能，可将电流放电至300mA。因此，它可以在包中的所有单元中保持均匀的 SOC。可以将均衡过程设置为特定的时间间隔，并在充电量达到编程阈值时自动停止充电。因此，即使电池监控设备处于睡眠模式，也可以长时间平衡。

常见功能

亚行MS6815（12通道）

亚行MS6817（8通道）

亚行MS6816（6通道）

ASIL-D 级支持

整个生命周期的最大总测量误差：1.5 mV

高压电池组的可包装架构

仅 304s 即可测量系统中的所有单元

16 位 ADC，带可编程噪声滤波器

每个通道 300 mA 的无源电池平衡，包括可编程 PWM 控制

2 Mbps 电气隔离 isoSPI 通信

仅使用两根导线和电容器或变压器

反向通信支持环形拓扑：即使通信路径有故障，也能进行通信

七个通用接口引脚，提供模拟输入、数字输入和数字输出：支持温度传感器，可配置为 I7C 或 SPI 主引脚

5.5 A 睡眠模式电流

48 针 7 毫米 x 7 毫米 LQFP 封装

结语

未来30年，世界各地的汽车将从ICE汽车转向电动汽车。石油是一种有限的资源，而且作为汽车燃料的效率也非常低。对环境的担忧也助长了这一转变。电动汽车将成为我们的未来，BMS技术在实现这一点方面起着关键作用。

为了实现这一未来，可以使用领先的 BMS 产品，如亚行 MS6815 系列。这些 IC 产品符合 ISO 26262 ASIL-D 认证，可提供业内最高的电池电压和温度测量精度。亚行MS6815系列基于几代经现场验证的电池监控IC经验，超越了汽车和工业应用的环境、可靠性和安全要求，可有效满足电动汽车和大型储能系统不断变化的需求。通过选择 ADI，设计人员可以使用先进的技术实现最佳的 BMS。

审核编辑：郭婷