【導讀】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工作，才能實現卓越性能和安全運行。為了滿足電動汽車的功能安全標準，本文探討了電池監測器的各種注意事項。
內容概覽
1 電動汽車對電池管理系統的要求
不斷變化的市場條件將催生更嚴苛的安全要求標準。
2 監測電池電壓和溫度
高精度電池監測器有助于確保滿足更嚴格的功能安全標準。
3 冗余設計
冗余通信協議可提供容錯機制，并確保電池組的正常運行和安全狀態。
電動汽車對電池管理系統的要求
全世界的交通運輸行業正在經歷一場革命。在過去 20 年里， 鋰離子電池技術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，世界上的許多地區都高度重視能源經濟的去碳化。在電網發電層面降低汽車能源所產生的排放要比在汽車層面上容易得多。要實現去碳化目標，就需要大多數交通運輸系統都實現電氣化。隨著電動汽車 (EV) 計劃產量的提高，其開發和生產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，不斷接近內燃機 (ICE) 汽車的價格。
乘用車電池系統的安全注意事項涉及多個方面。其中，重要的傳統電氣安全注意事項旨在防止生產工人、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才能安全地、最高效地工作，關于電池組設計的注意事項也包含了熱安全注意事項。此外，電氣系統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工作，才能實現卓越性能和安全運行。每種鋰離子電池的化學成分對應不同的范圍。如果超出此范圍，電池內部可能會發生不良的副作用，從而導致過度自發熱，甚至可能導致內部長時間短路。過度自發熱和內部短路是熱失控連鎖反應的第一步，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，電池監測專用集成電路 (ASIC) 會測量電壓、溫度和電流并將有關信息傳輸到電池控制單元。
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則可能是這些數量的兩倍。這種大型系統有許多印刷電路板 (PCB) 連接，其中電池和監測 ASIC 之間的連接或不同 ASIC 之間的通信連接可能會發生故障。因此，可能會出現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，電池控制系統便會“失明”，再也無法管理電池組中電池的狀態。
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。功能安全亦是與預防和減輕由電子系統故障引起的潛在危險事件有關的綜合安全的一部分。在汽車行業中，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乘用車、卡車、公共汽車和摩托車安全相關系統的最新技術和功能安全最佳實踐。
在有些汽車系統中，功能喪失不會導致危險。如果這類系統發生故障，系統的安全狀態會讓電子設備關閉，并通過儀表板燈或其他指示器提醒駕駛員。但是，在有些系統中，故障或功能喪失可能會導致危險事件。對于無法簡單關閉的系統，安全目標可能包括指定“安全相關可用性”要求。在這種情況下，可能需要系統在一段時間內具有某類故障容錯機制，以避免發生危險事件。
這里的安全相關可用性是指，系統即使是在定義的故障條件下，也能在特定時間段內提供安全功能。換言之，這種安全系統必須在一段時間內具有故障容錯機制。這種故障容錯機制使系統能夠在可接受的安全水平下持續運行更長時間。ISO26262 第 10 部分第 12 節為系統開發人員提供了有關安全相關可用性要求的指導。
再說回電池監測子系統，電池電壓和溫度感應位置需要連接到電池監測 ASIC。控制處理器會頻繁讀取測量信息，以計算電池的當前狀態，并幫助確保系統安全運行。對于高壓電池組，監測 ASIC 以堆疊配置形式排列，其中每個 ASIC 均測量多塊并聯的電池。命令和數據通過一個獨立的通信接口在 ASIC之間傳輸，如圖 2 所示。
圖 2.電池監測和通信配置。
冗余設計
如果在行駛過程中電池輸入引腳和 PCB 之間發生開路，則可能會導致電池監測系統功能喪失，進而導致危險事件。德州儀器 (TI) 的BQ79606A-Q1 和 BQ79616-Q1 系列電池監測 ASIC包括環網通信特性，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，從而使系統能夠繼續監測電池組的運行狀況和安全狀態。
圖 3 展示了使用雙向環網配置的 BQ79616-Q1 連接。在這種配置中，如果兩個電池監測 ASIC 之間存在故障、開路或短路，控制處理器將繼續與所有電池監測 ASIC 通信，并來回切換消息傳遞的方向。當正常通信出現故障時，系統可以借助環網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 實現的雙向環網配置。
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轉換器 (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 路徑在出現故障（如 PCB 的 VC 引腳連接開路或 RVC 電阻器開路）時將繼續測量電池電壓。當正常電壓測量出現故障時，系統可以借助冗余 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網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，因此可實現高達汽車安全完整性等級 (ASIL) D 級的系統功能安全。
總結
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，安全要求至關重要。
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