單片比例電阻分壓器提供了一種低漂移解決方案，可將現(xiàn)代 EV 電池組中的高電壓轉(zhuǎn)換為適合在 BMS 系統(tǒng) ADC 中轉(zhuǎn)換和處理的電壓。

• 與分立電阻鏈相比，集成高壓電阻分壓器提供了一種更精確、更節(jié)省空間的電壓衰減方法。

• 片上比率分壓器在 10 年使用壽命內(nèi)可保持 ±0.2% 的最大壽命漂移比

• 與高精度放大器相結(jié)合，具有匹配比率的分頻器可以產(chǎn)生具有極高共模抑制比的差動(dòng)放大器，這有助于降低噪聲和其他誤差。 

在現(xiàn)代電動(dòng)汽車 （EV） 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV） 中，電池管理系統(tǒng) （BMS） 是電池組背后的大腦，負(fù)責(zé)確保電池性能良好、安全運(yùn)行并持續(xù)很長時(shí)間。BMS 跟蹤充電狀態(tài) （SOC） 等參數(shù)，前者表示可用能量，后者評(píng)估電池單元的整體狀況和老化情況。監(jiān)控這些指標(biāo)有助于保持高效的能源使用并防止電池過早退化。

為了滿足有關(guān)電池效率和環(huán)境可持續(xù)性的法規(guī)，汽車制造商必須在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持高水平的電池健康。例如，加州空氣資源委員會(huì) （California Air Resources Board） 出臺(tái)了標(biāo)準(zhǔn)，要求到 2030 年車型年，電動(dòng)汽車必須保持至少 80% 的電動(dòng)續(xù)航里程 10 年或 150,000 英里。

這是最早將于 2026 年款生效的較低要求的高潮，其中規(guī)定在 2031 年款之后將繼續(xù)收緊法規(guī)。類似的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在世界各地生效，因此需要在 BMS 內(nèi)采用更高的電池電壓和更先進(jìn)的傳感技術(shù)來提高精度。

本文展示了與分立電阻鏈相比，集成高壓電阻分壓器提供了一種更精確、更節(jié)省空間的電壓衰減方法。這種方法使 BMS 能夠更好地平衡電池組并延長其使用壽命。圖 1 顯示了 EV 中通常使用的電池單元測量分壓電阻器。

圖1. EV 電池 ≥400 V 由電阻分壓器衰減，以與 BMS 的其余部分連接。

應(yīng)用 ABC

典型的 EV 電池電壓為 ≥400 V，該行業(yè)趨向于 1 kV 或更高的電壓。之所以出現(xiàn)這種趨勢，是因?yàn)檩敵龉β矢蟮?EV 電池充電器可以更快地為車輛充電，而功率是電流和電壓的函數(shù)：P = IV。為了達(dá)到特定的充電速度，可以使用這種電壓/電流關(guān)系來增加電壓，以最小化或保持平坦的電流值，同時(shí)仍能提供必要的功率。

由于熱量會(huì)降低電池和電子元件的使用壽命，因此在 EV 設(shè)計(jì)中，最小化電流值是一個(gè)優(yōu)勢，因?yàn)樵黾与娏鲿?huì)導(dǎo)致電動(dòng)動(dòng)力總成內(nèi)的散熱增加。此外，更少的電流使得使用更輕規(guī)格的電線成為可能，從而減輕了整體線束重量，并使車輛在相同的電量下可以行駛更遠(yuǎn)。

EV 電池管理

雖然許多世界上最大的汽車制造商都在加大對(duì)先進(jìn)電池的投資，這些電池有望比鋰離子電池更安全、充電更快、儲(chǔ)存更多的能量......

直接測量電池的電壓并將其傳送到相關(guān)的數(shù)字車輛系統(tǒng)需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換器通常由 5 V 左右的電壓供電。由于輸入信號(hào)> 5 V 可能會(huì)損壞 ADC，因此要保護(hù) ADC 和其他低壓元件免受電池相對(duì)較大的電壓的影響，需要使用隔離式放大器等器件在高壓域和低壓域之間保持屏障。

盡管隔離式放大器是兩個(gè)電壓域之間的橋梁，但它只能接受與 ADC 相似的電壓范圍，因此在到達(dá)隔離式放大器之前需要衰減電池電壓。為此，通常使用電阻分壓器，將高壓信號(hào)降低到較低電壓滿量程范圍。

圖 2 是直流母線測量的電路圖，使用長電阻串將電池電壓衰減到可接受的水平。

圖2. 所示為使用分立電阻梯的電池電壓測量電路。

分立電阻鏈的缺點(diǎn)

當(dāng)處理大于 400 V 的電壓時(shí)，必須考慮爬電距離和電氣間隙，以防止電弧并確保安全絕緣。雖然傳統(tǒng)的電阻分壓器只需要兩個(gè)電阻，但在爬電距離和電氣間隙方面，高壓衰減通常采用長電阻鏈，以增加高壓節(jié)點(diǎn)和低壓節(jié)點(diǎn)之間的物理距離。

根據(jù)國際電工委員會(huì) （IEC） 60115-8，每個(gè)電阻器的最大持續(xù)壓降是有限的;通常，每個(gè) 1206 外殼尺寸的表面貼裝電阻器為 200 V，每個(gè) 0805 外殼尺寸的電阻器為 150 V。由于電池的電壓在高于和低于其額定值時(shí)都會(huì)變化，因此使用過多的電阻器作為預(yù)防措施，這通常會(huì)導(dǎo)致 10 個(gè)或更多分立電阻器鏈。

這種設(shè)計(jì)方法確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。即使使用精密電阻器，每個(gè)分立電阻器的固有容差的變化也會(huì)導(dǎo)致分壓比出現(xiàn)顯著差異，從而導(dǎo)致電壓測量不準(zhǔn)確。

分立電阻器也容易受到溫度波動(dòng)和老化導(dǎo)致的電阻變化的影響。這種電阻器兩端的焊點(diǎn)都暴露在外，除非使用保形涂層或其他形式的保護(hù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致額外的泄漏和寄生電容或電感，這會(huì)增加解決方案成本。

這些效應(yīng)會(huì)在一長串分立電阻器中復(fù)合，隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步降低電壓檢測精度。這可能會(huì)導(dǎo)致 SOC 和 SOH 估計(jì)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致次優(yōu)的電池管理決策，例如不正確的充電和放電周期，并最終縮短電池壽命并削弱電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

集成的性能和可靠性優(yōu)勢

使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，可以在標(biāo)準(zhǔn)硅襯底晶圓上構(gòu)建薄膜硅鉻電阻層。該電阻層由二氧化硅絕緣層封裝，可在 >1 kV 的極高電壓下使用。

將此晶圓的單個(gè)部分（稱為晶片）封裝到標(biāo)準(zhǔn)塑料集成電路 （IC） 外殼中，將保護(hù)晶片免受外部應(yīng)力的影響。由于爬電距離和間隙是在引腳之間的間隙上測量的，因此制造商可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格將類似尺寸的芯片放入更小的封裝中以獲得更好的產(chǎn)品，或者放入更大的封裝中以增加距離。

這種方法在性能和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢，因?yàn)槌蔀樾酒拿總€(gè)晶圓部分的相對(duì)電阻都非常緊密匹配。初始比率和隨時(shí)間變化的指定最大限值有助于確保分壓比保持準(zhǔn)確，即使受到老化或環(huán)境變化（如溫度變化）的影響。

例如，通過利用這項(xiàng)技術(shù)，德州儀器 （TI） RES60A-Q1 電阻分壓器在 10 年使用壽命內(nèi)規(guī)定了 ±0.2% 的最大壽命比。這種可靠性對(duì)于優(yōu)先考慮一致性能的應(yīng)用程序非常重要。

IC 封裝設(shè)計(jì)無需冗長的分立電阻器鏈，從而減少了所需的印刷電路板占用空間。這種整合不僅簡化了電路布局，還降低了與元件數(shù)量相關(guān)的組裝成本。更少的暴露節(jié)點(diǎn)降低了因泄漏或寄生效應(yīng)而出錯(cuò)的可能性，消除了對(duì)保形涂層的需求，這也有可能降低成本。

圖 3 是直流總線測量的電路圖，其中 TI RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1 提供了一種測量跨越隔離柵的電壓的方法，實(shí)現(xiàn)了 <1% 的滿量程誤差。

圖3. 該電路用于電池電壓測量，采用 RES60A-Q1、RES11A-Q1 和 AMC1311B-Q1。

差分至信號(hào)端轉(zhuǎn)換

具有差分輸出的 TI AMC1311B-Q1 等隔離式放大器很受歡迎，因?yàn)椴罘州敵龇浅＿m合長距離傳輸信號(hào)而不會(huì)降低性能，并且出于安全原因，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將其低壓元件放置在遠(yuǎn)離高壓源的位置。將此信號(hào)饋入單端 ADC 需要通過添加集成差動(dòng)放大器或圍繞放大器配置的四個(gè)分立電阻器作為兩個(gè)電阻分壓器來實(shí)現(xiàn)差分至單端轉(zhuǎn)換。

與分立電阻分壓器在衰減過程中可能引入誤差的原因相同，單個(gè)電阻也可能在分立差動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)中引入比率漂移。由同一芯片上的兩個(gè)電阻分壓器組成的集成電阻網(wǎng)絡(luò)也可以安裝在塑料 IC 封裝中。這提供了應(yīng)力保護(hù)，并確保隨附的兩個(gè)分頻器在它們的比率之間也具有嚴(yán)格的公差。

與高精度放大器配合使用時(shí)，具有匹配比率的分頻器可以產(chǎn)生具有極高共模抑制比的差動(dòng)放大器，這有助于降低噪聲和其他誤差。

集成解決方案可延長電池運(yùn)行狀況

在為 BMS 設(shè)計(jì)高壓衰減電路時(shí)，從分立電阻鏈過渡到集成解決方案具有許多優(yōu)勢。當(dāng)與用于差分信號(hào)轉(zhuǎn)換的互補(bǔ)集成組件結(jié)合使用時(shí)，這些器件可實(shí)現(xiàn)具有更高電壓和準(zhǔn)確 SOC 和 SOH 讀數(shù)的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。最終結(jié)果是 EV 能夠長時(shí)間保持電池健康。