德州仪器电池监控ASIC系列产品最大限度地提高电动汽车的行驶里程和安全性

随着汽车电气化的进展，工程师必须注意在确保最高水平的功能安全的同时最大限度地延长电池寿命。电池监测应用专用集成电路(ASIC)可以帮助实现这两个目标，实现自动主机反向唤醒功能，监测电池电压和温度，并提供自主电池平衡。

功能安全

电动车的安全考虑是多方面的。它们包括保护生产工人、车主、机械师和回收人员免受高电压的影响，保护电池单元不被刺穿和撞击损坏以及保持电气系统的完整性，确保电池在安全的温度和电压范围内工作。

最后一个考虑因素尤为重要。在可接受的电压和温度范围之外，电池内部可能会发生不良反应，导致过度自热、内部电气短路，并最终导致热失控。为了避免这些问题，电池监测ASIC测量并将电压和温度信息传输到电池管理单元（BMU）。

电池管理功能面临着自身的挑战。一辆电动乘用车可能有128个或更多的电池；一辆商用车可能有两倍的电池。大型电池系统有许多印刷电路板(PCB)连接，在这些连接中可能会发生故障：例如，电池传感器和ASIC之间的开路，或者ASIC之间的通信链路开路。检测和处理此类故障以避免危险事件是功能安全的一部分，正如ISO26262道路车辆标准中所涉及的那样。

在一些汽车系统中，对功能丧失的安全响应是简单地关闭电子装置并通过仪表板指示灯通知驾驶员。然而，在其他情况下，简单地关闭电子装置可能并不安全，设计目标可能包括"安全相关的可用性"要求，其中系统必须在一段时间内对某些类型的故障有一个容忍度--可能通过冗余实现，以避免危险事件。

电池监测子系统提供了冗余如何工作的例子。在这样一个子系统中，ASIC以堆叠配置的方式排列，每个ASIC测量多个电池的电压和温度。测量数据流从ASIC到ASIC，再到微控制器单元(MCU)，MCU计算电池的状态，并帮助确保操作保持在安全范围内。传感或通信路径中的开路或短路可能会使子系统对潜在故障"失明"，可能导致危险事件。

德州仪器的BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1系列电池监控ASIC包含的功能可提供对这些类型故障的容忍度，使系统能够继续监控电池组的健康和安全。

图1展示了双向环形配置的BQ79616-Q1器件。在两个电池监测ASIC之间出现开路的情况下，MCU继续通过BQ79600-Q1SPI/UART通信接口与ASIC进行通信，必要时向后或向前切换消息传递方向。虽然在故障期间，正常的通信被禁用，但系统可以利用双向环形通信功能的容错能力-保持可用性，而电池模块的电压和温度信息不会丢失。

1.在该双向环配置中，如果两个电池监控ASIC之间出现开路，MCU可以通过切换消息传递方向继续与ASIC进行通信。

为了进一步支持冗余，BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1还具有双模数转换器(ADC)。在没有冗余的系统中，单个ADC监控电压感应信号(VC)。在BQ79606A-Q1和BQ79616-Q1的双ADC中，第二个ADC监控单元平衡信号(CB)，从而使系统在VC路径发生开路时也能继续监控电压(图2)。

2.如果VC信号路径发生故障，BQ79606A-Q1或BQ79616-Q1中的冗余ADC可以通过CB信号测量电池电压。

自动唤醒

典型的电动汽车或混合动力汽车包括一个由12-V电池供电的BMU。为了在车辆停放时查找高压（HV）电池组的故障，BMU的MCU必须周期性地唤醒，这有可能使12-V电池过早放电。

另一种选择是自动主机反向唤醒，只有在检测到故障时才唤醒MCU。BQ79616-Q1集成了专利的故障唤醒功能，可以作为这种实现的核心。BQ79616-Q1提供了一个低功耗睡眠模式，在此期间，它仍然可以监测过温和欠温，以及过压和欠压等故障情况。在检测到睡眠模式下的故障时，设备能够通过故障音来传输故障状态。

如图3所示，一系列的BQ79616-Q1设备对HV电池进行监控。在检测到故障时，BQ79616-Q1通过环形结构将故障音传输到位于BMU上的BQ79600-Q1通信接口。然后，BQ79600-Q1启用BMU的电源管理IC（PMIC），进而唤醒MCU。其结果是在车辆停放或关闭时，在支持功能安全要求的同时，节约12-V电池电源。

3.当检测到故障时，BQ79616-Q1将故障音传输到位于BMU中的BQ79600-Q1SPI/UART通信接口。

电池平衡

电池片平衡可以纠正汽车电池的不平衡，帮助延长汽车行驶里程，同时确保安全运行。您可以选择两种方法之一。主动式电池平衡采用直流-直流转换器将能量从高电荷水平的电池重新分配到低电荷水平的电池。被动平衡从具有较多电荷的电池中移除电荷，通常是通过热耗散，直到所有电池具有相同的电荷量。鉴于其简单性和较低的成本，被动平衡是一种更受欢迎的方法。

TI的BQ79616-Q1使用连接到外部平衡电阻的内部开关执行无源电池平衡。器件内部的开关和电阻都是潜在的过热源，BQ79616-Q1通过两种热管理功能来解决这一问题。

在第一种情况下，裸片温度过高会触发MCU的故障，MCU会暂停平衡，直到裸片温度下降和任何故障被清除。在第二种情况下，BQ79616-Q1监控电路板安装的热敏电阻，如果温度超过预设阈值，则自动暂停平衡。当温度下降到可接受的水平时，恢复平衡--所有这些都不需要MCU的干预。

结论

TI的电池监控器和平衡器在电动汽车中执行各种功能，从故障唤醒操作到电池平衡。它们提供热管理功能，并实施容错温度和电压测量，提供系统性的功能安全能力，最高可达到汽车安全完整性等级(ASIL)D。