电池组的核心大脑承担着确保电池性能优良及寿命长久的重任

在现代电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)中，电池管理系统(BMS)堪称电池组的核心大脑，其承担着确保电池性能优良、运行安全以及寿命长久的重任。BMS 对诸多关键参数，如充电状态(SOC)和健康状态(SOH)进行精准跟踪。SOC 清晰地反映出电池内可用能量的情况，而 SOH 则用于全面评估电池单元的整体状况以及老化程度。通过密切监控这些关键指标，不仅能够实现高效的能源利用，还能有效预防电池过早出现退化现象。

为契合电池效率和环境可持续性方面的法规要求，汽车制造商必须全力以赴，在车辆的整个生命周期内维持较高水平的电池健康状态。举例来说，加州空气资源委员会制定了相关标准，明确规定到 2030 年车型年，电动汽车务必在 10 年时间或者行驶 150,000 英里的里程内，至少保持 80% 的电动续航里程。类似的标准在全球范围内纷纷生效实施，这就迫切要求在 BMS 中采用更高的电池电压以及更为先进的传感技术，以此来提升检测精度。本文将深入探讨与分立电阻链相比，集成高压电阻分压器如何提供一种更精确且更节省空间的电压衰减方法，进而助力 BMS 更好地平衡电池包并延长其使用寿命。

电动汽车电池系统现状与挑战

典型的电动汽车电池电压通常大于等于 400V，并且当前行业正朝着 1kV 甚至更高电压的方向发展。这一趋势背后的主要原因在于，输出功率更大的 EV 电池充电器能够显著加快车辆的充电速度，因为功率(P)等于电流(I)与电压(V)的乘积，即 P = IV。为达到特定的充电速度，可利用这一电压 / 电流关系，通过提升电压，在保持电流值最小化或者维持平稳的同时，依旧能够提供所需的功率。在 EV 设计中，将电流值降至最低具有重要意义，因为热量会对电池和电子元件的使用寿命产生负面影响，而电流增加会导致电动动力总成内的散热大幅增加。此外，电流的减少使得使用更轻规格的电线成为可能，这不仅减轻了整体线束的重量，还能让车辆在相同电量下行驶更远的距离。

直接对电池电压进行测量，并将其传输至相关的数字车辆系统时，需要借助模数转换器(ADC)来进行信号转换，而 ADC 一般由 5V 左右的电压供电。由于输入信号若超过 5V 极有可能损坏 ADC，因此，为保护 ADC 和其他低压元件免受电池相对较高电压的影响，必须使用诸如隔离式放大器等器件，在高压域和低压域之间构建起一道安全屏障。尽管隔离式放大器能够在两个电压域之间起到连接作用，但它所能接受的电压范围与 ADC 相近，所以在信号到达隔离式放大器之前，需要先对电池电压进行衰减处理。通常情况下，会采用电阻分压器来实现这一目的，将高压信号降低至较低电压的满量程范围之内。

当处理大于 400V 的电压时，爬电距离和电气间隙成为必须重点考虑的因素，以避免出现电弧现象，并确保实现安全绝缘。虽然传统的电阻分压器仅需两个电阻，但在涉及爬电距离和电气间隙的高压衰减应用中，通常会采用长电阻链的形式，以此来增加高压节点和低压节点之间的物理距离。根据国际电工委员会(IEC)60115 - 8 的规定，每个电阻器的最大持续压降是有限的。一般而言，每个 1206 外壳尺寸的表面贴装电阻器为 200V，每个 0805 外壳尺寸的电阻器为 150V。鉴于电池电压在高于或低于其额定值时均会发生变化，为确保安全，往往会使用过多的电阻器，这通常会导致形成由 10 个或更多分立电阻器组成的电阻链。

即便使用精密电阻器，每个分立电阻器固有的容差变化仍可能致使分压比出现显著差异，最终造成电压测量不准确。而且，这些电阻器两端的焊接点处于暴露状态，这可能会引发额外的泄漏以及寄生电容或电感等问题，除非采取保形涂层或其他保护措施，但这样又会增加解决方案的成本。在长链分立电阻器中，上述这些不利影响会进一步加剧，随着时间的推移，会进一步降低电压检测的精度。这极有可能导致 SOC 和 SOH 的估计出现错误，进而引发欠佳的电池管理决策，比如不正确的充电和放电周期，最终结果便是缩短电池寿命，并削弱电动汽车的续航里程。

集成电阻分压器的工作原理与优势

利用现代半导体制造工艺技术，能够在标准硅衬底晶圆上构建起薄膜硅铬电阻层。该电阻层由二氧化硅绝缘层封装保护，可在超过 1kV 的极高电压环境下正常使用。将此晶圆的单个部分(即晶片)封装到标准塑料集成电路(IC)外壳中，能够有效保护晶片免受外部应力的影响。由于爬电距离和间隙是在引脚之间的间隙上进行测量的，所以制造商可依据设计规格，将类似尺寸的芯片封装到更小的封装中，以提升产品性能;或者封装到更大的封装中，来增加引脚之间的距离。

这种设计方法在性能和可靠性方面展现出诸多显著优势。因为每个晶圆部分(即芯片)的相对电阻能够实现非常紧密的匹配，通过对初始比率以及随时间变化的容差指定最大限值，有助于确保分压比始终保持准确，即便受到老化或者环境变化(例如温度变化)等因素的影响，也能维持稳定。以德州仪器(TI)的 RES60A - Q1 电阻分压器为例，它在 10 年使用寿命内规定了 ±0.2% 的最大寿命比，这种高可靠性对于那些对性能一致性要求较高的应用而言，具有至关重要的意义。

IC 封装设计摒弃了冗长的分立电阻器链，从而大幅减少了所需的印刷电路板占用空间。这种高度集成不仅极大地简化了电路布局，还显著降低了与元件数量相关的组装成本。同时，更少的暴露节点降低了因泄漏或寄生效应而出错的可能性，并且无需使用保形涂层，这在一定程度上也降低了成本。

具有差分输出的隔离式放大器，如德州仪器的 AMC1311B - Q1，因其差分输出在长距离传输信号时能够很好地保持性能，且出于安全考虑，设计人员通常会将低压元件放置在远离高压源的位置，所以这类放大器在实际应用中颇受欢迎。若要将此信号馈入单端 ADC，则需要通过添加集成差动放大器，或者围绕放大器配置四个分立电阻器作为两个电阻分压器，来实现差分至单端的转换。由同一芯片上的两个电阻分压器组成的集成电阻网络同样可以安装在塑料 IC 封装中，这不仅提供了应力保护，还能确保两个分频器之间的比率具有严格的公差。当与高精度放大器配合使用时，具有匹配比率的分频器能够产生具有极高共模抑制比的差动放大器，这对于降低噪声和减少其他误差具有显著作用。

集成电阻分压器提升电池系统性能的具体体现

在为 BMS 设计高压衰减电路时，从传统的分立电阻链过渡到采用集成电阻分压器等集成解决方案，具有众多不可忽视的优势。当与用于差分信号转换的互补集成组件，如 RES11A - Q1 等结合使用时，这些集成器件能够助力实现具有更高电压的电动动力系统，并且能够提供更为准确的 SOC 和 SOH 读数。最终的结果便是使 EV 能够在较长时间内保持良好的电池健康状态，从而显著提升电动汽车的整体性能和用户体验。

例如，在一些实际应用场景中，采用集成电阻分压器的电动汽车电池系统，在经过长时间的使用后，依然能够保持较高的电池容量保持率。通过精确的电压检测和 SOC、SOH 估算，BMS 能够更加合理地控制电池的充放电过程，避免过度充电或过度放电等对电池造成损害的情况发生。这不仅延长了电池的使用寿命，减少了电池更换的频率和成本，还有效提升了电动汽车的续航里程稳定性，增强了用户对电动汽车的信心。

此外，集成电阻分压器的应用还为电动汽车电池系统的进一步优化和创新提供了更广阔的空间。随着技术的不断发展和进步，未来可以在此基础上进一步集成更多的功能模块，实现对电池系统的全方位、智能化管理，推动电动汽车技术朝着更加高效、可靠、安全的方向持续发展。