电池组监控 IC 使用 delta-sigma 调制器保证电池测量准确性

LinearTechnology 的资深科学家 Jim Williams 开发了一种新颖的电路，该电路使用小型、廉价的变压器，他询问每个电池的电压该电路性能良好，但变压器增加了成本，并且可能由于振动而失效。

电池组监视器 IC 制造商通过在电池组电压下浮动芯片来避免共模问题。他们将模拟测量值转换为数字值，然后将这些数字位传递到其他芯片的菊花链中。此步骤从系统中移除电阻衰减器，并消除测量中的任何共模衰减误差。

将测量芯片置于菊花链中有助于满足另一个重要要求。它需要一个电流隔离器而不是多个。几十年前，工程师会尝试通过隔离栅传输模拟电压。电池组监控芯片的架构揭示了一种现代趋势。您测量模拟电压，然后将该电压转换为数字位。跨电流隔离边界传输数字数据的方法有很多。您可以使用光耦合器、电容隔离器、变压器隔离器、射频隔离器，甚至磁致伸缩隔离器。如果您跨边界发送模拟电压电平，则可以使用 delta-sigma 调制器，例如 Avago 的调制器。

一旦确保准确测量并解决了共模问题，就必须确保满足设计的电源要求。电池组本身为大多数电池监控器 IC 供电，这意味着除非您正在充电，否则电池电量会耗尽。同样重要的是，每个芯片必须具有相同的功耗，这样一个芯片就不会因消耗比其相邻芯片更多的功率而使一组电池失衡。您还可以提供来自电池或外部电源的隔离电源，就像 AnalogDevices 在其监控芯片上所做的那样。因此，监控电路不会耗尽推进电池。

设计测量系统后，您必须通过通信链路发送数据。一些制造商将简单的本地串行协议(例如 SPI(串行外设接口))转换为高级协议，例如 CAN(控制器局域网)总线。数十年的使用已经确立了汽车中 CAN 通信的可靠性。

测量系统的这些考虑只是基本要求。为了满足汽车制造商的可靠性和责任问题，您必须测量电池中的每个电池。为了最大限度地减少所需的测量转换器数量，大多数 IC 制造商在其电池组监控芯片上使用高压、故障保护多路复用器，使芯片能够准确测量 4 到 12 节电池，然后通过串行总线将测量结果传送到菊花链中的下一个芯片。

当装配工人或机械师使用热插拔更换将测量电路连接到电池时，会出现另一个主要的可靠性问题。这种方法不能保证工人将首先连接哪个电池。任何单元的感应线的任意连接都可以将大电流注入硅片。根据 Maxim 的 LaJeunesse 的说法，芯片还必须具有坚固的结，他指出芯片不需要介电隔离工艺。“DMOS 和 CMOS 可以完成工作，但你必须知道如何偏置电路元件以及如何在内部设置晶体管阱和栅极，”他说。他建议 IC 设计人员使用保护环来治疗热载流子注入。

大多数制造商都提供外部和片上温度传感，使系统设计人员能够测量环境温度和电池温度。然后，设计人员可以将这些温度纳入充电和安全算法。可靠性问题也促使汽车制造商要求完全冗余的测量系统。在这些设置中，一组菊花链芯片进行测量，另一组芯片使用比较器监督测量设置最小和最大限制。Intersil 等制造商努力确保芯片到芯片的串行通信是无源的，因为如果一个芯片发生电气故障，它仍然会通过菊花链中的所有其他芯片的通信。大多数电池组测量芯片还具有双向串行通信功能，允许您使用系统的 BMU(电池管理单元)微控制器查询芯片，以确保芯片已通电并正常工作。

除了这种系统级冗余之外，许多制造商还在他们的芯片中构建了冗余和自测。Intersil 汽车产品营销经理 Kenneth Lenk 指出，芯片包括多个电压基准。该公司还在其芯片中集成了隐藏的 DAC，用于校准和自检，headds。

大多数制造商强调他们的设备具有无源通信链路。即使芯片出现故障，这些链接也将继续工作。根据 ADI 公司精密放大器产品线经理 Sam Weinstein 的说法，制造商不仅要建立内部冗余，而且还要确保冗余安全芯片正常工作。他指出，BIST(内置自测)成本高昂，但对于满足要求来说是必不可少的汽车行业的要求。

一个工程委员会正在努力将汽车电池组系统的故障保护和冗余特性正式化为 ISO(国际标准化组织)26262 标准，该组织预计将于今年发布。开发人员从工业机械标准中采用了这个标准，它将为电动汽车中的模拟、数字和软件组件提供全面的指导方针。德州仪器、模拟设备、意法半导体和恩智浦等公司正在努力为这些关键任务提供模拟和数字硬件先进的动力总成模块。