TI - HEV/EV電池管理系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)放大器功能

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和電動(dòng)汽車（EV）之所以備受歡迎，是因?yàn)樗鼈兙哂械停悖┡欧藕偷途S護(hù)要求，同時(shí)提供了更高的效率和驅(qū)動(dòng)性能。新的HEV/EV公司方興未艾，而且現(xiàn)有的汽車制造商正大舉投資HEV/EV市場(chǎng)，以爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額。
　　HEV/EV動(dòng)力總成的核心在于系統(tǒng)。該系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取電力，將其存儲(chǔ)在電池中（靜止時(shí)），并從電池獲取能量以轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)并移動(dòng)車輛。該系統(tǒng)主要包括四個(gè)子系統(tǒng)：車載充電器（OBC）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC-DC轉(zhuǎn)換器（DC/DC）以及逆變器和電機(jī)控制（IMC），如圖1所示。在HEV/EV的BMS中經(jīng)常忽略放大器的靈活性和成本效益。因此，本文將重點(diǎn)介紹BMS以及設(shè)計(jì)人員如何在系統(tǒng)中使用放大器。
　　　　BMS維護(hù)和監(jiān)控電池，包括有效和安全地充電和放電。BMS相對(duì)地平衡每個(gè)單體電池的電壓和電荷，監(jiān)控電池的健康狀況，使電池保持安全的工作溫度，并確保更長(zhǎng)的電池壽命。BMS應(yīng)該防止諸如電池反復(fù)過度放電，因?yàn)檫@將縮短電池壽命，或應(yīng)防止過度充電，因?yàn)檫@可能會(huì)損壞電池并引起火災(zāi)或爆炸。HEV/EV中的電池是許多串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池組合，可以滿足所需的電壓和能量。待完全充電后，單個(gè)鋰離子電池的電壓為4.2V，放電時(shí)接近2.8V。HEV/EV中充滿電的電池電壓范圍為200V至800V。圖2是典型的BMS框圖。
　　　讓我們回顧一下BMS的主要功能。
　　電池電流感應(yīng)
　　監(jiān)控輸入電池組的電流和輸出電池組的電流至關(guān)重要。在主鋰離子電池中，該電流的大小往往高達(dá)數(shù)百安培。霍爾傳感器、感應(yīng)傳感器或分流電阻器上的隔離放大器通常用于電池冷側(cè)（低電壓）到熱側(cè)（高電壓）電流感測(cè)。這些隔離電流感測(cè)解決方案可以具有模擬差分輸出信號(hào)。隔離電流感測(cè)旨在保持熱側(cè)和冷側(cè)分離，并將關(guān)于感測(cè)到的電流的模擬信息提供給主微控制器中的由低壓電源供電的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這種電流感測(cè)通常不需要非常準(zhǔn)確。運(yùn)算放大器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)（以接地為參考），增加動(dòng)態(tài)范圍，并驅(qū)動(dòng)ADC。在BMS中，通常使用電流分流監(jiān)控器進(jìn)行精確的熱側(cè)電流感測(cè)。
　　圖3所示為不同電壓域的帶隔離放大器和運(yùn)算放大器電路（用于帶直流傳遞功能的電流感測(cè)）。分流電阻上產(chǎn)生的電壓VSHUNT由一個(gè)隔離放大器放大，作為其隔離輸出的差分輸出信號(hào)VDIFF。運(yùn)算放大器將差分信號(hào)VDIFF轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)OUT，并通過向信號(hào)施加2 V/V的增益來提高動(dòng)態(tài)范圍。隔離放大器偏移決定了初始電流感測(cè)精度。差分放大器的共模抑制比主要由電阻容差決定。
　　用于隔離電流感測(cè)的帶運(yùn)算放大器的隔離放大器DC-DC轉(zhuǎn)換器從HEV/EV中的主高壓電池生成單獨(dú)的48V電池子系統(tǒng)。這款48V電池子系統(tǒng)為空調(diào)、加熱、制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力，并提供比使用鉛酸電池的傳統(tǒng)12 V電源軌更高的效率。48V子系統(tǒng)不含主電池那么高的電流負(fù)載，但仍然需要電流感測(cè)，這就是為何它有自己的本地BMS。在48V BMS中，非隔離精密電流分流監(jiān)控器用于主電流感測(cè)，雙向運(yùn)算放大器電流感測(cè)電路用作冗余過流保護(hù)。圖4所示為進(jìn)行雙向電流感測(cè)的運(yùn)算放大器電路。
　　　　電池電壓感測(cè)
　　需要像電流一樣監(jiān)控電池的電壓。在隔離電壓檢測(cè)中，電阻分壓器將高電壓從電池分壓到放大器的共模輸入范圍。隔離放大器感測(cè)到分壓電壓，差分放大器配置中使用的運(yùn)算放大器將隔離放大器中的差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出。若不需要隔離，則差分放大器配置中的運(yùn)算放大器可以執(zhí)行直接電壓感測(cè)。
　　所示為采用隔離放大器和運(yùn)算放大器的隔離電壓感測(cè)。隔離放大器隔離熱側(cè)和冷側(cè)，并輸出增益為1的差分信號(hào)。運(yùn)算放大器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，并使ADC增益滿足全動(dòng)態(tài)范圍。該電壓被饋送到冷側(cè)MCU中的ADC。
　　專為BMS設(shè)計(jì)的集成功率芯片可跟蹤每個(gè)鋰離子電池的電壓并平衡電荷。以菊花鏈方式連接這些功率芯片可以同時(shí)測(cè)量所有鋰離子電池的電壓，平衡這些電池上的電壓，并將此信息傳遞給MCU。
　　　正如我之前提到的那樣，高壓200至800V側(cè)與車輛底盤接地和其他低壓域（12 V和48 V）保持隔離。通過測(cè)試隔離中斷測(cè)量電池電壓和漏泄電流還將導(dǎo)致測(cè)量高壓軌與底盤接地的低壓之間的電阻或泄漏。汽車高壓和隔離泄漏測(cè)量參考設(shè)計(jì)解釋了測(cè)試隔離中斷。它需要使用已知的電阻路徑暫時(shí)短接隔離柵，如圖6所示。
　　　　有必要從高壓電池的正極或負(fù)極側(cè)了解故障漏電流的路徑。每當(dāng)發(fā)生隔離中斷時(shí)，繼電器S1位于正極側(cè)或繼電器S2位于負(fù)極側(cè)。將該已知的隔離電阻與測(cè)量的電阻進(jìn)行比較可以確定通過隔離屏障的泄漏。
　　例如，當(dāng)S1關(guān)閉時(shí)，如果在負(fù)極側(cè)無泄漏，則ISO_POS電壓將等于Vref。若在負(fù)極側(cè)存在漏電流（隔離破壞），則ISO_POS電壓將不等于Vref。由于漏電流流過Rps1、Rps2和Rs1、電池的正極側(cè)和負(fù)極側(cè)到低壓側(cè)接地，閉環(huán)增益不同。具有低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器適用于此應(yīng)用，因?yàn)檫B接到反相輸入的阻抗可能非常高（在兆歐范圍內(nèi)）。
　　溫度監(jiān)測(cè)
　　HEV/EV需要高電壓和高電流，這可能導(dǎo)致高功耗和快速溫升。監(jiān)測(cè)電池及其周圍系統(tǒng)的溫度非常有必要，以防止功耗過大。若故障導(dǎo)致高功耗，電池控制單元將斷開電池，以防止發(fā)生火災(zāi)和爆炸等災(zāi)難性事件。
　　一種經(jīng)濟(jì)有效的溫度感測(cè)解決方案是使用運(yùn)算放大器緩沖來自與電阻串聯(lián)的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的信號(hào)。由于BMS和電池占位空間較大，因此整個(gè)系統(tǒng)的溫度可能不均勻。這種不均勻的溫度需要在整個(gè)BMS中放置多個(gè)溫度感測(cè)單元。將來自這些單元的信號(hào)復(fù)用到單個(gè)ADC或MCU引腳需要信號(hào)調(diào)節(jié)。還需要緩沖和放大信號(hào)，以滿足ADC的全動(dòng)態(tài)范圍。
　　　　聯(lián)鎖是一個(gè)電壓和電流回路系統(tǒng)，流經(jīng)HEV/EV系統(tǒng)中的一系列子系統(tǒng)，如圖8所示。聯(lián)鎖從BMS啟動(dòng)并經(jīng)過逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、OBC再返回BMS，以監(jiān)測(cè)任何篡改、打開高壓系統(tǒng)或打開維護(hù)艙口的事件。汽車高壓聯(lián)鎖參考設(shè)計(jì)解釋了聯(lián)鎖系統(tǒng)如何斷開高壓線路以防止受傷。
　　聯(lián)鎖回路主要涉及感測(cè)不需要高精度測(cè)量的以脈沖傳輸?shù)碾娏?。緊湊的解決方案需求可能會(huì)導(dǎo)致基于儀表放大器的解決方案。最經(jīng)濟(jì)的解決方案是在差分放大器配置中使用帶運(yùn)算放大器和分立電阻的電流感測(cè)電路。聯(lián)鎖回路不是高電流回路；因此，您可以使用高值分流電阻，且不會(huì)有高功耗風(fēng)險(xiǎn)。安全和診斷功能需要冗余，以覆蓋主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的情況。為檢測(cè)所有可能的故障，可能存在更多需要二次電壓和電流感測(cè)的情況，以及低成本解決方案變得更加可行的情況。
　　　　結(jié)論
　　這些都是使用放大器的BMS中的標(biāo)準(zhǔn)功能，但根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，您使用運(yùn)算放大器時(shí)可能會(huì)有更多功能。當(dāng)出現(xiàn)新問題或異常問題且不存在集成解決方案時(shí)，基于運(yùn)算放大器的解決方案變得更加實(shí)用。EV/HEV中的系統(tǒng)正在發(fā)展，且運(yùn)算放大器提供快速、精確和靈活的解決方案的情況正變得越來越普遍。