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(多图) 详察电池芯的电池组监控IC

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2011年03月29日 ?? 收藏1
经理Stephen G LaJeunesse认为,电容会开始在不同电势的电池芯之间传送失配的电荷。他说:“它们还需要大电压开关,而这些开关有自身的损耗,”从而降低了电路的效率。

  Linear Technology公司资深科学家Jim Williams开发了一种新颖电路,采用小型廉价变压器查询每只电池芯的电压(图3与参考文献3)。电路工作情况良好,但变压器增加了成本,也会由于震动而出现故障。

  电池组监控IC的制造商避免共模问题的方法是将芯片浮接在电池组的电压上。它们将模拟测量值转换为数字值,然后将这些数字位下送给其它芯片的daisy链。这个步骤可去掉系统中的电阻衰减器,并且测量中不会有任何的共模衰减误差(图4)。

  将测量芯片置于daisy链中,还有其它重要的要求。它需要一个隔离绝缘器,而不是多个。几十年前,工程师们要通过绝缘屏障来传送模拟电压。电池组监控芯片结构是当前的趋势。测量模拟电压,然后将该电压转换为数字位。将数字化数据传送过一个隔直屏障有很多种方法(参考文献4)。可以采用光耦、隔直电容、变压器隔离器、RF隔离器,甚至是磁致伸缩隔离器。如果是通过隔离屏障发送模拟

电平,则可以采用delta-sigma调制器,如Avago的产品。

  一旦确保了精确测量,并解决了共模问题,还必须确认满足了设计的功率要求。电池组本身能为大多数电池监控IC提供电源,而这意味着会耗尽未充电电池的电能。另外同样重要的是,每个芯片都必须有相同的功耗,这样某只芯片的功耗就不会超过周边芯片,从而造成一组电池芯的不平衡。另外,也可以用汽车电池或外接电源提供隔离电源,如Analog Devices公司为其监控芯片所做的那样(图5)。这样,监控电路就不会消耗动力电池的能量。

  当设计测量系统时,必须要在某个通信链路上发送数据。有些制造商会将一种简单的局域串行协议(如串行外设接口SPI)转换为一种高级协议,如CAN(控制器局域网)总线。CAN通信在汽车中的应用已有几十年时间,证明了其可靠性。

  这些对测量系统的考虑还只是基本需求。为了满足汽车制造商对可靠性和责任的关切,我们必须测量电池组中的每个芯。为了尽量减少所需要的测量转换器数量,大多数IC制造商都在自己的电池组监控芯片中采用了高压、有故障保护的多工器,使芯片能够精确地测量4只?12只电池芯,然后将测量结果通过一个串行总线,传送给daisy链上的下一只芯片。

  当装配工人或机器采用热插拔更换方法,将测量电路连接到电池上时,就产生了另一个重要的可靠性问题。这种方法并不能保证工人先连接上哪只电池芯。对任意电池芯检测线的随意连接会向硅核心中注入大量电流。Maxim公司的JaJeunesse认为芯片必须有加固的节点,他指出芯片并不需要介电绝缘工艺。他说:“DMOS和CMOS已经做了这个工作,但你必须知道电路元件的偏置方法,以及内部如何短接晶体管阱和栅。”他告诫IC设计者,要用导环来解决热载流子的注入问题。

  大多数制造商都同时提供外部和片上的温度检测,因而系统设计者能够测量出环境温度和电池芯温度。然后,设计者可以在充电与安全算法中增加这些温度因数。可靠性问题也使得汽车制造商提出了对全冗余测量系统的要求(图6与参考文献5)。在这些结构中,一组daisy链接的芯片做测量,另一组芯片则用设定了最大最小极限值的比较器,监控测量情况(http://www.edn.com/photo/288/288441-Battery_stack_monitor_ICs_scrutinize_the_cells_Web.gif给出了这些效应的演示图)。Intersil等制造商都努力保证芯片之间的串行通信是无源的,原因是:如果一只芯片出现电气失效情况,它仍然能让daisy链上的所有其它芯片的通信通过。大多数的电池组测量芯片还有双向串行通信,可以用自己系统的BMU(电池管理单元)微控制器查询芯片,以确保芯片的上电和工作。

  除了这种系统级冗余以外,很多制造商还在自己的芯片中建立了冗余和自检功能(参考文献6)。

  Intersil公司汽车产品营销经理Kenneth Lenk表示这类芯片包含了多种电压基准。他补充说,该公司亦在自己的芯片中加入了隐藏的DAC,用于校正和自检。

  很多制造商都强调说,他们的器件拥有无源的通信链接。这些链接即使在芯片失效时也能继续工作。Analog Devices公司精确放大器系列产品经理Sam Weinstein称,制造商不仅要建立内部的冗余,还要确保冗余安全芯片的运行。他指出,BIST(内置自检)很昂贵,但这是满足汽车业要求的基础。

  一个工程化委员会正在将汽车电池组系统的失效保护以及冗余功能做到ISO(国际标准化组织)26262标准中,ISO组织


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电池芯监控? 电池环境?

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