锂离子(Li-Ion)电池是电动汽车和混合动力汽车的常用储能方法。这些电池可提供的能量密度在所有现有电池技术中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必须使用电池监控系统(BMS)。先进的BMS不仅使您能够从电池组中提取大量的电荷，而且还可以以更安全的方式管理充电和放电循环，从而延长使用寿命。ADI公司提供种类齐全的BMS器件组合，专注于精度和稳健的运行。
精确测量电池的充电状态(SOC)可以延长电池运行时间或减轻重量。精密稳定的器件在PCB装配后无需工厂校准。长期稳定性提高了安全性并可避免保修问题。自我诊断功能有助于达到合适的汽车安全完整性等级(ASIL)。电池组是充满电磁干扰(EMI)挑战的环境，因此在设计数据通信链路时要进行特别处理，以确 保测量芯片与系统控制器之间稳健可靠的通信。电缆和连接器是造成电池系统故障的主要原因，因此本文介绍了无线解决方案。无线通信设计提高了可靠性并减轻了系统总重量，进而增加了每次充电的行驶里程。
简介
储能单元必须能够提供大容量，并且能以可控方式释放能量。如果不能进行适当的控制，能量的存储和释放会导致电池灾难性故障，并最终引起火灾。电池可能会由于多种原因而发生故障，其中大多数与不当使用有关。故障可能来自机械应力或损坏，以及以深度放电、过度充电、过电流和热过应力等形式表现出的电气过载。为了尽可能提高效率和安全性，电池监控系统必不可少。
BMS架构
电动汽车电池由几节电池串联组成。一个典型的电池组（具有96节串联电池）以4.2 V充电时会产生超过400 V的总电压。电池组中的电池节数越多，所达到的电压就越高。所有电池的充电和放电电流都相同，但是必须对每节电池上的电压进行监控。为了容纳高功率汽车系统所需的大量电池，通常将多节电池分成几个模块，并分置于车辆的整个可用空间内。典型模块拥有10到24节电池，可以采用不同配置进行装配以适合多个车辆平台。模块化设计可作为大型电池组的基础。它允许将电池组分置于更大的区域，从而更有效地利用空间。
图1. 采用LTC6811 12通道测量IC、具有96节电池的电池组架构。
为了在电动汽车/混合动力汽车的高EMI环境中支持分布式模块化拓扑，稳键的通信系统必不可少。隔离CAN总线和ADI的 isoSPI? 都提供了经过验证的解决方案，适合在这种环境中进行模块互联。1尽管CAN总线为在汽车应用中互联电池模块提供了完善的网络，但它需要许多附加元件。例如，通过LTC6811的 isoSPI接口实现隔离CAN总线需要增加一个CAN收发器、一个微处理器和一个隔离器。CAN总线的主要缺点是这些额外元件会增加成本和电路板空间。图2显示了基于CAN的一种可行架构。在这个示例中，所有模块都并联连接。
图2. 独立的CAN模块并联。
ADI创新的双线式isoSPI接口是CAN总线接口的替代方法。1 接口集成在每个LTC6811中，使用一个简单的变压器和一根简单的双绞线，而非CAN总线所需的四线。isoSPI接口提供了一个抗噪接口（用于高电平RF信号），利用该接口可以将模块通过长电缆以菊花链形式连接，并以高达1 Mbps的数据速率运行。图3显示了基于isoSPI并使用CAN模块作为网关的架构。
图3. 采用CAN网关的模块串联。
图2和图3所示的两种架构各有利弊。CAN模块是标准化模块，可以与其他CAN子系统共享同一总线运行；isoSPI接口是专有接口，只能与相同类型的器件进行通信。另一方面，isoSPI模块不需要额外的收发器和MCU来处理软件堆栈，从而使解决方案更紧凑、更易于使用。两种架构都需要有线连接，这在现代BMS 中具有明显的缺点，因为在布线中，导线走线至不同的模块会成为一个棘手的问题，同时又增加了重量和复杂性。导线也很容易吸收噪声，从而需要进行额外的滤波。
无线BMS
- 连线复杂度更低
- 重量更轻
- 成本更低
- 安全性和可靠性更高
图4. 电池监控互联方式比较。
ADI演示了业界首款无线汽车BMS概念车，在 BMW i3.2这是一项重大突破，有望提高电动汽车/混合动力汽车大型多节电池组的 可靠性，并降低成本、重量和布线复杂性。
精确测量的重要性
图5. 电池充电限制。
- 初始容差
- 温度漂移
- 长期漂移
- 湿度
- PCB装配应力
- 噪音抑制
图6. LTC6811测量误差与温度的关系。
图7对比了带隙基准电压源IC和埋入式齐纳二极管基准电压源IC的长期漂移。初始测量值的误差校准为0 mV。通过在30°C下3000小时之后的漂移来预测十年的测量漂移。该图片清楚地显示了随着时间的推移，齐纳二极管基准电压源具有更出色的稳 定性，至少比带隙基准电压源提高5倍。类似的湿度和PCB装配应力测试表明，埋入式齐纳二极管的性能比带隙基准电压源更胜一筹。
图7. 埋入式齐纳二极管和带隙基准电压源之间的长期漂移比较。
图8. ADC滤波器的可编程范围和频率响应。
电池平衡以优化电池容量
图9. 采用主动平衡的12节电池的电池组模块。
结论
低排放车辆的关键是电气化，但还需要对能源（锂离子电池）进行智能管理。如果管理不当，电池组可能会变得不可靠，从而大大降低汽车的安全性。高精度有助于提高电池的性能和使用寿命。主动和被动电池平衡可实现安全高效的电池管理。分布式电池模块易于支持，并且将数据稳定地传递到BMS控制器（无论是有线方式还是无线方式）能够实现可靠的SOC和SOH计算。
