高性能新能源動力電池監測芯片設計

文/劉宏偉

中國新能源汽車的廣闊前景對動力電池監測芯片提出了巨大的市場需求，目前我國已經掌握了整車技術、BMS 技術、鋰電池材料技術、電機控制技術，卻在核心芯片方面仍為國外大廠所控制，大力發展核心芯片不僅是市場的需求，也是國家戰略需求和國家安全需要。

1 市場技術需求

BMS 作為汽車動力電池的管理者，擁有車輛運行時動力系統的全部數據，這些數據對于改進提升汽車動力系統乃至整車性能都具備極高價值，因而占據了電池產業鏈的價值高點。預計到2020年，我國純電動汽車和插電混合動力汽車產量將超過200 萬輛，全球新能源汽車帶來的BMS 市場復合年平均增長率有望達到40%。全球BMS 市場規模將在2020年達到635 億元，市場對BMS 的需求將加速爆發，未來市場前景可期。作為BMS 中的核心器件，多節鋰電池信息監測芯片也將面臨巨大的市場需求，預計到2020年動力電池組監測SOC 的市場容量將達到200 億元，該技術的國產化將會打破國外對該芯片的壟斷局面，不僅會獲得巨大的經濟效益，也具有更大的社會價值。

高性能動力電池監測芯片是發展新能源汽車的核心技術之一，新能源汽車的激增也帶動芯片行業在汽車上實現繁榮。2017年，整體半導體市場營業額約為3800 億美金，汽車半導體的占比約為10%，未來這個規?？赏_到40%，其增長主要體現在新能源汽車上。對于一輛傳統的汽車，芯片的采購成本約為350美金；插電式混合動力汽車，單車芯片成本則為600 美金；純電動汽車，則單車芯片成本要達到1000 美金。對于智能汽車，如特斯拉的車載AI 處理器Drive PX 2 的價格為2500 美金，還不包括用于通訊的基帶芯片，用于處理大量數據的memory 芯片，以及數量龐大的功率半導體。因此，加大對高性能新能源動力電池監測芯片設計研發，既是市場價值的體現又是技術發展需要，是國產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 結構框圖

2 設計應注意的問題

當然設計中，面臨的技術問題會很多。但當前最難的問題，還不是技術問題，是長期人們對高性能國產芯片的偏見和不信任問題，更要命的是沒有給高性能國產芯片應有的市場磨煉培育機會，致使高性能國產芯片沒有得到成熟展露的機會。當然，應用企業的恐懼主要還是設計質量方面的擔心。因此本文就設計中應注意的問題，拋磚引玉，旨在探討共同提高設計質量。

2.1 解決電池組的均衡控制問題

電池組的均衡管理是一門先進的電池組使用技術，需結合動力電池電化學模型、電子電源、半導體均衡開關等多項技術進行創新設計。隨著電池組容量的增加，傳統的基于電阻放電式的均衡方式已無法滿足電池組系統的需求。因此解決電池組的均衡管理是一個關鍵技術問題。

2.2 解決重要算法的精度差問題

由于動力電池管理系統和電池組系統的緊密結合還沒有完善，受溫度和老化程度等因素影響，動力電池管理系統中的一些重要算法，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。本文優選推薦荷電狀態算法，作為解決目前方案中存在的精度差問題。

2.3 解決高壓級聯菊花鏈SPI接口通信問題

動力電池組應用中，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，降低了系統的可靠性和增加系統成本。因此可以考慮設計一種采用傳輸電流的方式實現的高壓菊花鏈結構的級聯通信電路，解決高壓級聯菊花鏈SPI 接口通信問題。

2.4 解決動力電池管理系統的可靠性和成本問題

傳統的動力電池管理系統存在著可靠性差、體積空間較大等問題。隨著整車對電池組系統能量密度的要求越來越高，希望動力電池管理系統的空間越小越好，同時對動力電池管理系統的成本控制也有著非常高的要求。因此芯片設計中建議高度關注成本問題，技術參數要在高精度、高集成度、高可靠性和低成本上找平衡。

3 總體技術方案

3.1 整體設計方案

芯片的整體框圖如圖1所示。

該芯片可測量多達13 節串聯電池的電壓，內部集成16 位的ΣΔ ADC、線性穩壓源電路、高壓模擬開關電路、開路連接檢測電路，內部溫度傳感器，帶隙基準電壓產生電路、高壓隔離通訊電路和振蕩器電路等。可以實現多個芯片級聯使用，可通過高壓隔離通訊電路與主控制器或芯片之間進行通訊，管理數十節串聯電池。芯片集成內部電池電量均衡MOSFET，可以實現每節電池的被動均衡。芯片擁有5 個GPIO 引腳，可用來進行外部溫度檢測，或者控制外部從機器件。

芯片同時還集成開路連接檢測保護，通過特殊的開路連接檢測命令，可以使上位機得到電池是否發生開路的事件，提高了電池管理系統的可靠性。芯片基于功能安全的考慮，可以監測內部線性穩壓源輸出電壓、電池組總電壓和內部基準電壓，用來診斷芯片是否工作在正常狀態。

3.2 高精度增量累加式ΣΔ ADC設計方案參考

采用ΣΔ 結構實現的高精度模數轉換，ΣΔ ADC 屬于過采樣速率ADC 結構，由模擬調制器和數字濾波器組成。ΣΔ 調制技術的基本思想就是利用過采樣和噪聲整形技術將量化噪聲整形到信號帶外，然后經過數字濾波器進行濾波，得到高精度的數字輸出。

圖2為該項目中ADC 的結構框圖，該ADC 主要包含一個低漂移的帶斬波穩定技術的高階多位量化調制器和雙路可編程的數字濾波器。雙路數字濾波器包括低延遲和高帶寬濾波器，允許用戶根據實際需求在二者之間進行選擇。對于具有大瞬態變化的輸入，低延遲濾波器可以在一個周期內快速地響應；高帶寬的路徑為交流測量提供了一個優化的頻率響應。采用串行輸出方式，支持標準CMOS邏輯輸出。

具體設計中，通過ΣΔ 調制器的系統結構設計和系統Simulink 建模為晶體管級的電路設計提供理論依據、電路整體結構和設計指標要求。設計的調制器電路結構如圖3所示。

圖4：濾波器結構設計參考

濾波器擬采用的結構如圖4所示，采用級聯梳狀(CIC)濾波器、CIC 補償濾波器和半帶濾波器級聯方式，第一級將采樣率8 倍，第二級和第三級分別為2 倍，總的將采樣率為32。CIC 濾波器大大減小第一級濾波器的階數，簡化整體設計，減小濾波器的面積。但梳狀濾波器在通帶內有衰減，需要在第二級補償帶內的衰減。因此，第二級采用 CIC 補償濾波器，CIC 補償濾波器是一個FIR 濾波器，其降采樣率為2。第三級采用半帶濾波器，半帶濾波器的一半系數為0，另外一半系數對稱，降低了第三級濾波器階數，其降采樣率也為2。

4 結語

在設計中要注意體現以下幾個方面的創新性。

4.1 內部外部均衡方式有效保證電池間電量平衡

芯片支持內部和外部兩種均衡方式。在工作過程中，動力電池管理芯片采集的每節電池的狀態，主動地調整電池的電量，保證每節電池間的電量平衡，避免了電池的過充或過放給電池帶來致命的損傷。并且在均衡電池電量過程中，保證相鄰兩節電池不會同進入均衡狀態。另外，在均衡過程中實時監測電池電壓，防止電量被過放。

4.2 高壓隔離通訊提高通訊的可靠性

通過標準的四線SPI 總線協議轉為兩線差分電流耦合通信協議，通過外部隔離變壓器，實現高壓隔離通訊，節省多個單獨外部隔離芯片，有效的降低系統成本，并且在協議中加入循環冗余校驗，提高通訊的可靠性。

4.3 基于卡爾曼濾波算法的SOC估算技術提高荷電狀態估算精度

采用卡爾曼濾波估算SOC 及SOH 算法的升級，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 精度可以達到2%以下。