高性能新能源動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)芯片設(shè)計(jì)

文/劉宏偉

中國(guó)新能源汽車的廣闊前景對(duì)動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)芯片提出了巨大的市場(chǎng)需求，目前我國(guó)已經(jīng)掌握了整車技術(shù)、BMS 技術(shù)、鋰電池材料技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)，卻在核心芯片方面仍為國(guó)外大廠所控制，大力發(fā)展核心芯片不僅是市場(chǎng)的需求，也是國(guó)家戰(zhàn)略需求和國(guó)家安全需要。

1 市場(chǎng)技術(shù)需求

BMS 作為汽車動(dòng)力電池的管理者，擁有車輛運(yùn)行時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于改進(jìn)提升汽車動(dòng)力系統(tǒng)乃至整車性能都具備極高價(jià)值，因而占據(jù)了電池產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值高點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)純電動(dòng)汽車和插電混合動(dòng)力汽車產(chǎn)量將超過(guò)200 萬(wàn)輛，全球新能源汽車帶來(lái)的BMS 市場(chǎng)復(fù)合年平均增長(zhǎng)率有望達(dá)到40%。全球BMS 市場(chǎng)規(guī)模將在2020年達(dá)到635 億元，市場(chǎng)對(duì)BMS 的需求將加速爆發(fā)，未來(lái)市場(chǎng)前景可期。作為BMS 中的核心器件，多節(jié)鋰電池信息監(jiān)測(cè)芯片也將面臨巨大的市場(chǎng)需求，預(yù)計(jì)到2020年動(dòng)力電池組監(jiān)測(cè)SOC 的市場(chǎng)容量將達(dá)到200 億元，該技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化將會(huì)打破國(guó)外對(duì)該芯片的壟斷局面，不僅會(huì)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也具有更大的社會(huì)價(jià)值。

高性能動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)芯片是發(fā)展新能源汽車的核心技術(shù)之一，新能源汽車的激增也帶動(dòng)芯片行業(yè)在汽車上實(shí)現(xiàn)繁榮。2017年，整體半導(dǎo)體市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額約為3800 億美金，汽車半導(dǎo)體的占比約為10%，未來(lái)這個(gè)規(guī)模可望達(dá)到40%，其增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在新能源汽車上。對(duì)于一輛傳統(tǒng)的汽車，芯片的采購(gòu)成本約為350美金；插電式混合動(dòng)力汽車，單車芯片成本則為600 美金；純電動(dòng)汽車，則單車芯片成本要達(dá)到1000 美金。對(duì)于智能汽車，如特斯拉的車載AI 處理器Drive PX 2 的價(jià)格為2500 美金，還不包括用于通訊的基帶芯片，用于處理大量數(shù)據(jù)的memory 芯片，以及數(shù)量龐大的功率半導(dǎo)體。因此，加大對(duì)高性能新能源動(dòng)力電池監(jiān)測(cè)芯片設(shè)計(jì)研發(fā)，既是市場(chǎng)價(jià)值的體現(xiàn)又是技術(shù)發(fā)展需要，是國(guó)產(chǎn)新能源汽車擺脫芯痛，核心“受制于人”局面的迫切需要。

圖1：芯片整體框圖

圖2：ΣΔ ADC 結(jié)構(gòu)框圖

2 設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

當(dāng)然設(shè)計(jì)中，面臨的技術(shù)問(wèn)題會(huì)很多。但當(dāng)前最難的問(wèn)題，還不是技術(shù)問(wèn)題，是長(zhǎng)期人們對(duì)高性能國(guó)產(chǎn)芯片的偏見(jiàn)和不信任問(wèn)題，更要命的是沒(méi)有給高性能國(guó)產(chǎn)芯片應(yīng)有的市場(chǎng)磨煉培育機(jī)會(huì)，致使高性能國(guó)產(chǎn)芯片沒(méi)有得到成熟展露的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，應(yīng)用企業(yè)的恐懼主要還是設(shè)計(jì)質(zhì)量方面的擔(dān)心。因此本文就設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，拋磚引玉，旨在探討共同提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1 解決電池組的均衡控制問(wèn)題

電池組的均衡管理是一門(mén)先進(jìn)的電池組使用技術(shù)，需結(jié)合動(dòng)力電池電化學(xué)模型、電子電源、半導(dǎo)體均衡開(kāi)關(guān)等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。隨著電池組容量的增加，傳統(tǒng)的基于電阻放電式的均衡方式已無(wú)法滿足電池組系統(tǒng)的需求。因此解決電池組的均衡管理是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.2 解決重要算法的精度差問(wèn)題

由于動(dòng)力電池管理系統(tǒng)和電池組系統(tǒng)的緊密結(jié)合還沒(méi)有完善，受溫度和老化程度等因素影響，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中的一些重要算法，比如SOC 算法、SOH 算法、最大可充放電功率控制算法等都存在較大的偏差。本文優(yōu)選推薦荷電狀態(tài)算法，作為解決目前方案中存在的精度差問(wèn)題。

2.3 解決高壓級(jí)聯(lián)菊花鏈SPI接口通信問(wèn)題

動(dòng)力電池組應(yīng)用中，處于上端的SoC 的工作電壓非常高，若直接與主控MCU 通信，須采用額外的隔離技術(shù)，降低了系統(tǒng)的可靠性和增加系統(tǒng)成本。因此可以考慮設(shè)計(jì)一種采用傳輸電流的方式實(shí)現(xiàn)的高壓菊花鏈結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)通信電路，解決高壓級(jí)聯(lián)菊花鏈SPI 接口通信問(wèn)題。

2.4 解決動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的可靠性和成本問(wèn)題

傳統(tǒng)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)存在著可靠性差、體積空間較大等問(wèn)題。隨著整車對(duì)電池組系統(tǒng)能量密度的要求越來(lái)越高，希望動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的空間越小越好，同時(shí)對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的成本控制也有著非常高的要求。因此芯片設(shè)計(jì)中建議高度關(guān)注成本問(wèn)題，技術(shù)參數(shù)要在高精度、高集成度、高可靠性和低成本上找平衡。

3 總體技術(shù)方案

3.1 整體設(shè)計(jì)方案

芯片的整體框圖如圖1所示。

該芯片可測(cè)量多達(dá)13 節(jié)串聯(lián)電池的電壓，內(nèi)部集成16 位的ΣΔ ADC、線性穩(wěn)壓源電路、高壓模擬開(kāi)關(guān)電路、開(kāi)路連接檢測(cè)電路，內(nèi)部溫度傳感器，帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、高壓隔離通訊電路和振蕩器電路等?？梢詫?shí)現(xiàn)多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)使用，可通過(guò)高壓隔離通訊電路與主控制器或芯片之間進(jìn)行通訊，管理數(shù)十節(jié)串聯(lián)電池。芯片集成內(nèi)部電池電量均衡MOSFET，可以實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池的被動(dòng)均衡。芯片擁有5 個(gè)GPIO 引腳，可用來(lái)進(jìn)行外部溫度檢測(cè)，或者控制外部從機(jī)器件。

芯片同時(shí)還集成開(kāi)路連接檢測(cè)保護(hù)，通過(guò)特殊的開(kāi)路連接檢測(cè)命令，可以使上位機(jī)得到電池是否發(fā)生開(kāi)路的事件，提高了電池管理系統(tǒng)的可靠性。芯片基于功能安全的考慮，可以監(jiān)測(cè)內(nèi)部線性穩(wěn)壓源輸出電壓、電池組總電壓和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，用來(lái)診斷芯片是否工作在正常狀態(tài)。

3.2 高精度增量累加式ΣΔ ADC設(shè)計(jì)方案參考

采用ΣΔ 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，ΣΔ ADC 屬于過(guò)采樣速率ADC 結(jié)構(gòu)，由模擬調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成。ΣΔ 調(diào)制技術(shù)的基本思想就是利用過(guò)采樣和噪聲整形技術(shù)將量化噪聲整形到信號(hào)帶外，然后經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，得到高精度的數(shù)字輸出。

圖2為該項(xiàng)目中ADC 的結(jié)構(gòu)框圖，該ADC 主要包含一個(gè)低漂移的帶斬波穩(wěn)定技術(shù)的高階多位量化調(diào)制器和雙路可編程的數(shù)字濾波器。雙路數(shù)字濾波器包括低延遲和高帶寬濾波器，允許用戶根據(jù)實(shí)際需求在二者之間進(jìn)行選擇。對(duì)于具有大瞬態(tài)變化的輸入，低延遲濾波器可以在一個(gè)周期內(nèi)快速地響應(yīng)；高帶寬的路徑為交流測(cè)量提供了一個(gè)優(yōu)化的頻率響應(yīng)。采用串行輸出方式，支持標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯輸出。

具體設(shè)計(jì)中，通過(guò)ΣΔ 調(diào)制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)Simulink 建模為晶體管級(jí)的電路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)、電路整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)的調(diào)制器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4：濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考

濾波器擬采用的結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用級(jí)聯(lián)梳狀(CIC)濾波器、CIC 補(bǔ)償濾波器和半帶濾波器級(jí)聯(lián)方式，第一級(jí)將采樣率8 倍，第二級(jí)和第三級(jí)分別為2 倍，總的將采樣率為32。CIC 濾波器大大減小第一級(jí)濾波器的階數(shù)，簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，減小濾波器的面積。但梳狀濾波器在通帶內(nèi)有衰減，需要在第二級(jí)補(bǔ)償帶內(nèi)的衰減。因此，第二級(jí)采用 CIC 補(bǔ)償濾波器，CIC 補(bǔ)償濾波器是一個(gè)FIR 濾波器，其降采樣率為2。第三級(jí)采用半帶濾波器，半帶濾波器的一半系數(shù)為0，另外一半系數(shù)對(duì)稱，降低了第三級(jí)濾波器階數(shù)，其降采樣率也為2。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)中要注意體現(xiàn)以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新性。

4.1 內(nèi)部外部均衡方式有效保證電池間電量平衡

芯片支持內(nèi)部和外部?jī)煞N均衡方式。在工作過(guò)程中，動(dòng)力電池管理芯片采集的每節(jié)電池的狀態(tài)，主動(dòng)地調(diào)整電池的電量，保證每節(jié)電池間的電量平衡，避免了電池的過(guò)充或過(guò)放給電池帶來(lái)致命的損傷。并且在均衡電池電量過(guò)程中，保證相鄰兩節(jié)電池不會(huì)同進(jìn)入均衡狀態(tài)。另外，在均衡過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，防止電量被過(guò)放。

4.2 高壓隔離通訊提高通訊的可靠性

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI 總線協(xié)議轉(zhuǎn)為兩線差分電流耦合通信協(xié)議，通過(guò)外部隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)高壓隔離通訊，節(jié)省多個(gè)單獨(dú)外部隔離芯片，有效的降低系統(tǒng)成本，并且在協(xié)議中加入循環(huán)冗余校驗(yàn)，提高通訊的可靠性。

4.3 基于卡爾曼濾波算法的SOC估算技術(shù)提高荷電狀態(tài)估算精度

采用卡爾曼濾波估算SOC 及SOH 算法的升級(jí)，建立精確電池模型，并將算法移植到DSP，基于卡爾曼濾波估算的SOC 精度可以達(dá)到2%以下。