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?零)排放和低維護(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，以爭奪市場份額。

　　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。

　　熱側(cè)

　　冷側(cè)

　　車載充電器

　　12V總線

　　(系統(tǒng)中的其他組件)

　　12V 電池

　　12V至48V DC?DC轉(zhuǎn)換器

　　48V總線

　　(典型的48V負(fù)載......)

　　逆變器和電機(jī)控制

　　48V電池管理系統(tǒng)

　　高壓負(fù)載

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器

　　電池管理系統(tǒng)

　　圖1：典型的帶有OBC、BMS、DC/DC、逆變器和電機(jī)控制的HEV/EV系統(tǒng)圖

　　BMS的作用是什么?

　　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。

　　12V電源

　　輸入保護(hù)

　　GAN

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器/ SBC

　　聯(lián)鎖

　　CAN 收發(fā)器

　　高側(cè)和低側(cè)開關(guān)

　　微控制器

　　電池組熱管理

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘和監(jiān)控器

　　隔離檢查

　　隔離器

　　隔離器/啟用

　　電流感應(yīng)

　　電流感應(yīng)

　　降壓HV-12V

　　微控制器

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器/ SBC

　　高壓診斷

　　電池監(jiān)測AFE(M&P)

　　電池監(jiān)測AFE(M&P)

　　圖2：BMS系統(tǒng)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。這些隔離電流感測解決方案可以具有模擬差分輸出信號(hào)。隔離電流感測旨在保持熱側(cè)和冷側(cè)分離，并將關(guān)于感測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。

　　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)。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精度。差分放大器的共模抑制比主要由電阻容差決定。

　　Vhv - 屏障高壓

　　VINP

　　VINN

　　VOUTN

　　VSHUNT

　　輸出

　　輸出

　　VDIFF

　　輸入電流(A)

　　VOUTP

　　VDD1

　　VDD1

　　VDD2

　　VDD1

　　VDD2

　　GND2

　　GND1

　　GND2

　　GND1

　　GND1

　　GND2

　　Vhv 500

　　圖3：用于隔離電流感測的帶運(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，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，雙向運(yùn)算放大器電流感測電路用作冗余過流保護(hù)。圖4所示為進(jìn)行雙向電流感測的運(yùn)算放大器電路。

　　Vbus 48

　　Rshunt 10m

　　Vshunt

　　輸入電流(A)

　　圖4：低側(cè)雙向電流感應(yīng)運(yùn)算放大器電路

　　電池電壓感測

　　需要像電流一樣監(jiān)控電池的電壓。在隔離電壓檢測中，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。

　　圖5所示為采用隔離放大器和運(yùn)算放大器的隔離電壓感測。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。

　　輸入電壓(V)

　　隔離勢壘高壓

　　VIN

　　SHTDN

　　VOUTP

　　VOUTN

　　VDD1

　　VDD2

　　GND1

　　GND2

　　圖5：通過隔離放大器和運(yùn)算放大器感測隔離電壓

　　隔離漏流電流測量

　　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。通過測試隔離中斷測量電池電壓和漏泄電流還將導(dǎo)致測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量參考設(shè)計(jì)解釋了測試隔離中斷。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。

　　高壓電池

　　高壓側(cè)

　　低壓側(cè)

　　圖6：帶運(yùn)算放大器的隔離漏流電流測量電路

　　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

　　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。

　　圖7說明了用于緩沖放大器或同相放大器配置的運(yùn)算放大器。具有合理偏移和失調(diào)漂移的低成本高壓運(yùn)算放大器適用于此應(yīng)用。

圖7：使用NTC熱敏電阻和運(yùn)算放大器進(jìn)行溫度感測

　　聯(lián)鎖監(jiān)測

　　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不需要高精度測量的以脈沖傳輸?shù)碾娏鳌＞o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。為檢測所有可能的故障，可能存在更多需要二次電壓和電流感測的情況，以及低成本解決方案變得更加可行的情況。

　　聯(lián)鎖回路電流

　　BMS(電池)

　　逆變器

　　車載充電器

　　OC-DC轉(zhuǎn)換器

　　斷開開關(guān)

　　聯(lián)鎖回路電流

　　圖8：BMS中的聯(lián)鎖系統(tǒng)

　　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。

　　參考文獻(xiàn)

　　1. 德州儀器BMS應(yīng)用頁面。

　　2. 模擬工程師的電路說明書。