【導(dǎo)讀】電動汽車中的鋰離子電池需要在一定的溫度和工作電壓范圍內(nèi)工作，才能實現(xiàn)卓越性能和安全運行。為了滿足電動汽車的功能安全標準，本文探討了電池監(jiān)測器的各種注意事項。
內(nèi)容概覽
1 電動汽車對電池管理系統(tǒng)的要求
不斷變化的市場條件將催生更嚴苛的安全要求標準。
2 監(jiān)測電池電壓和溫度
高精度電池監(jiān)測器有助于確保滿足更嚴格的功能安全標準。
3 冗余設(shè)計
冗余通信協(xié)議可提供容錯機制，并確保電池組的正常運行和安全狀態(tài)。
電動汽車對電池管理系統(tǒng)的要求
全世界的交通運輸行業(yè)正在經(jīng)歷一場革命。在過去 20 年里， 鋰離子電池技術(shù)的進步使人們有望在未來將電力儲存在電池組中，為汽車、摩托車、卡車和公共汽車提供動力。
同時，世界上的許多地區(qū)都高度重視能源經(jīng)濟的去碳化。在電網(wǎng)發(fā)電層面降低汽車能源所產(chǎn)生的排放要比在汽車層面上容易得多。要實現(xiàn)去碳化目標，就需要大多數(shù)交通運輸系統(tǒng)都實現(xiàn)電氣化。隨著電動汽車 (EV) 計劃產(chǎn)量的提高，其開發(fā)和生產(chǎn)成本將會分攤到更多電動汽車上，這意味著電動汽車價格將快速下滑，不斷接近內(nèi)燃機 (ICE) 汽車的價格。
乘用車電池系統(tǒng)的安全注意事項涉及多個方面。其中，重要的傳統(tǒng)電氣安全注意事項旨在防止生產(chǎn)工人、車主、機械師和車輛回收人員暴露在高電壓下或受到電擊。機械方面的注意事項旨在防止電池被刺穿和受到撞擊損壞，以及解決電池內(nèi)的液體和氣體可能會從電池中泄漏或排出的問題。考慮到鋰離子電池只有在比ICE車輛溫度更嚴苛的溫度范圍內(nèi)才能安全地、最高效地工作，關(guān)于電池組設(shè)計的注意事項也包含了熱安全注意事項。此外，電氣系統(tǒng)的功能安全注意事項可在車輛使 用或充電時保持電池安全運行。
監(jiān)測電池電壓和溫度
鋰離子電池（如圖 1 所示）需要在一定的溫度和工作電壓范圍內(nèi)工作，才能實現(xiàn)卓越性能和安全運行。每種鋰離子電池的化學(xué)成分對應(yīng)不同的范圍。如果超出此范圍，電池內(nèi)部可能會發(fā)生不良的副作用，從而導(dǎo)致過度自發(fā)熱，甚至可能導(dǎo)致內(nèi)部長時間短路。過度自發(fā)熱和內(nèi)部短路是熱失控連鎖反應(yīng)的第一步，最終會帶來安全隱患。為了使電池組維持在安全的工作范圍內(nèi)，電池監(jiān)測專用集成電路 (ASIC) 會測量電壓、溫度和電流并將有關(guān)信息傳輸?shù)诫姵乜刂茊卧?/div>
圖 1.電動汽車中的電池組。
在電動乘用車中，可能需要測量 16 塊、96 塊、128 塊或更多電池。商用車中的電池總數(shù)則可能是這些數(shù)量的兩倍。這種大型系統(tǒng)有許多印刷電路板 (PCB) 連接，其中電池和監(jiān)測 ASIC 之間的連接或不同 ASIC 之間的通信連接可能會發(fā)生故障。因此，可能會出現(xiàn)傳感器輸入開路或通信中斷的情況。如果沒有必要的測量和通信，電池控制系統(tǒng)便會“失明”，再也無法管理電池組中電池的狀態(tài)。
檢測和解決障礙（如通信故障或電池傳感器連接故障等）以避免危險事件是功能安全的一部分。功能安全亦是與預(yù)防和減輕由電子系統(tǒng)故障引起的潛在危險事件有關(guān)的綜合安全的一部分。在汽車行業(yè)中，國際標準化組織 (ISO) 26262 系列道路車輛功能安全標準定義了用于開發(fā)乘用車、卡車、公共汽車和摩托車安全相關(guān)系統(tǒng)的最新技術(shù)和功能安全最佳實踐。
在有些汽車系統(tǒng)中，功能喪失不會導(dǎo)致危險。如果這類系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)的安全狀態(tài)會讓電子設(shè)備關(guān)閉，并通過儀表板燈或其他指示器提醒駕駛員。但是，在有些系統(tǒng)中，故障或功能喪失可能會導(dǎo)致危險事件。對于無法簡單關(guān)閉的系統(tǒng)，安全目標可能包括指定“安全相關(guān)可用性”要求。在這種情況下，可能需要系統(tǒng)在一段時間內(nèi)具有某類故障容錯機制，以避免發(fā)生危險事件。
這里的安全相關(guān)可用性是指，系統(tǒng)即使是在定義的故障條件下，也能在特定時間段內(nèi)提供安全功能。換言之，這種安全系統(tǒng)必須在一段時間內(nèi)具有故障容錯機制。這種故障容錯機制使系統(tǒng)能夠在可接受的安全水平下持續(xù)運行更長時間。ISO26262 第 10 部分第 12 節(jié)為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了有關(guān)安全相關(guān)可用性要求的指導(dǎo)。
再說回電池監(jiān)測子系統(tǒng)，電池電壓和溫度感應(yīng)位置需要連接到電池監(jiān)測 ASIC。控制處理器會頻繁讀取測量信息，以計算電池的當(dāng)前狀態(tài)，并幫助確保系統(tǒng)安全運行。對于高壓電池組，監(jiān)測 ASIC 以堆疊配置形式排列，其中每個 ASIC 均測量多塊并聯(lián)的電池。命令和數(shù)據(jù)通過一個獨立的通信接口在 ASIC之間傳輸，如圖 2 所示。
圖 2.電池監(jiān)測和通信配置。
冗余設(shè)計
如果在行駛過程中電池輸入引腳和 PCB 之間發(fā)生開路，則可能會導(dǎo)致電池監(jiān)測系統(tǒng)功能喪失，進而導(dǎo)致危險事件。德州儀器 (TI) 的BQ79606A-Q1 和 BQ79616-Q1 系列電池監(jiān)測 ASIC包括環(huán)網(wǎng)通信特性，以及針對此類故障具有容錯機制的冗余電池電壓測量路徑，從而使系統(tǒng)能夠繼續(xù)監(jiān)測電池組的運行狀況和安全狀態(tài)。
圖 3 展示了使用雙向環(huán)網(wǎng)配置的 BQ79616-Q1 連接。在這種配置中，如果兩個電池監(jiān)測 ASIC 之間存在故障、開路或短路，控制處理器將繼續(xù)與所有電池監(jiān)測 ASIC 通信，并來回切換消息傳遞的方向。當(dāng)正常通信出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以借助環(huán)網(wǎng)通信的容錯機制來保持可用性，而不會丟失來自電池模塊的電壓和溫度信息。
圖 3.通過 BQ79616 實現(xiàn)的雙向環(huán)網(wǎng)配置。
TI BQ79606-Q1 和 BQ79616-Q1 的另一個特性是使用電池平衡輸入引腳連接到電池的冗余模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量路徑。圖 4 展示了從電池到 VC 和 CB 輸入引腳的連接。正常情況下，CB 引腳可在電池上提供直流負載，以平衡電池間的電壓。在正常測量操作期間，主 VC ADC 路徑和冗余 CB ADC 路徑都與電池連接，且均可以測量電池電壓。利用此特性，CB ADC 路徑在出現(xiàn)故障（如 PCB 的 VC 引腳連接開路或 RVC 電阻器開路）時將繼續(xù)測量電池電壓。當(dāng)正常電壓測量出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以借助冗余 ADC 路徑的容錯機制保持可用性，從而不會丟失來自電池模塊的電壓信息。
圖 4.從電池到 VC 和 CB 輸入的連接。
TI BQ79606-Q1 和 BQ79616-Q1 器件系列中均包含這些環(huán)網(wǎng)通信和冗余路徑特性，以及用于在電動汽車電池電壓和溫度感應(yīng)期間檢測通信和連接故障的各種診斷安全機制，因此可實現(xiàn)高達汽車安全完整性等級 (ASIL) D 級的系統(tǒng)功能安全。
總結(jié)
就像 20 世紀初開始從畜力車向汽車過渡一樣，目前人們正在開發(fā)各種各樣的車輛解決方案，從而為社會提供更多利益。對于電氣化交通運輸系統(tǒng)，安全要求至關(guān)重要。
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