新唐科技模擬前端AFE芯片：高串?dāng)?shù)AFE產(chǎn)品對(duì)于800V以上電池系統(tǒng)響應(yīng)和安全性的意義
隨著中國(guó)等主要汽車市場(chǎng)出于長(zhǎng)續(xù)航和高效快充補(bǔ)能等因素的考量，實(shí)際應(yīng)用傾向于800V，乃至未來(lái)1000V大電池平臺(tái)。同時(shí)，大型集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)在完善了熱管理技術(shù)后不斷提升電池管理系統(tǒng)電壓到1500V平臺(tái)，甚至更高電壓平臺(tái)。兩個(gè)鋰電池主要應(yīng)用市場(chǎng)不約而同都出現(xiàn)了高壓多串大電池包的應(yīng)用趨向。
以上的市場(chǎng)需求和應(yīng)用趨勢(shì)也帶給電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們帶來(lái)了如何更好的管理更大電池堆?；蚋啻姵氐奶魬?zhàn)。
這個(gè)挑戰(zhàn)所帶來(lái)具體課題是方方面面的。例如，電池管理拓?fù)洳辉龠m用集中式或分布式的簡(jiǎn)單分類，而是更合適采用以分布式為主，結(jié)合集中式優(yōu)點(diǎn)的混合式拓?fù)浞绞降鹊取Ｓ捎谏婕罢n題太多，篇幅所限我們今次只選擇系統(tǒng)響應(yīng)速度以及相關(guān)的安全性的角度來(lái)分享我們的觀點(diǎn)。
眾所周知，之前由于電池包的實(shí)際應(yīng)用串?dāng)?shù)和平衡安全性后的性價(jià)比的考量，因此目前無(wú)論是汽車的400V及以下電池平臺(tái)，還是800V以下儲(chǔ)能系統(tǒng)平臺(tái)大多以集中式為主，以菊花鏈通訊作為各CMU（Cell Monitoring Unit）之間的橋梁，最終集中在BCU（Battery Control Unit）做相應(yīng)電池電芯監(jiān)測(cè)管理。
集中式的優(yōu)勢(shì)是拓?fù)浜?jiǎn)潔，管理方便，高性價(jià)比。然而，在安全性上，尤其是電池失控后的響應(yīng)上是不如分布式拓?fù)?。分布式也有自身劣?shì)，即系統(tǒng)龐雜，管理層級(jí)過(guò)多，性價(jià)比偏低。那么，是否有方案可以融合二者的強(qiáng)項(xiàng)，弱化兩者劣勢(shì)呢？以20串及以上高串?dāng)?shù)電池包為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建800V及以上平臺(tái)，盡量減小通訊風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)提升菊花鏈通訊速率來(lái)提升響應(yīng)速度，最大化集中式的高性價(jià)比并部分引入分布式的分級(jí)管理。
在以往電池串?dāng)?shù)不太多時(shí)，無(wú)疑集中式是更合適的選項(xiàng)。電池失控造成的邊際效應(yīng)可以透過(guò)MCU端的電池功能安全鏈路和大范圍診斷來(lái)盡可能管控，滿足安全性的需求。然而，這套體系隨著電池電壓平臺(tái)的階躍式的快速提升，所管理電池串?dāng)?shù)的急速增加，不可避免的出現(xiàn)響應(yīng)速度及安全性上的降低。如果我們不想對(duì)系統(tǒng)性價(jià)比造成太大影響的同時(shí)提升響應(yīng)速度及相關(guān)的安全性，那么就必須盡可能提升集中式架構(gòu)本身的響應(yīng)速度，減少分布式分層管理的層數(shù)。
依據(jù)這個(gè)思路，我們?cè)倏醇惺郊軜?gòu)中，影響響應(yīng)速度的因素以及提升的方向。
首先，電池電芯數(shù)量。BMS（Battery Management System）平臺(tái)電壓確定后電池電芯總串?dāng)?shù)隨之固定。只要AFE的采集通道沒(méi)有浪費(fèi)太多（空置），總體采集時(shí)間也是固定的對(duì)響應(yīng)速度幾乎沒(méi)有影響。如果提高AFE的采集速度，減少采集時(shí)間花銷，那么是可以提升響應(yīng)速度。
其次，AFE通訊時(shí)間花銷。AFE在通訊部分的時(shí)間花銷主要與電流傳播速度，隔離器（變壓器/電容）和AFE本身有關(guān)。電流在電線里傳播的速度，差不多就是光速，因此相對(duì)延時(shí)忽略不計(jì)?，F(xiàn)在主流的隔離變壓器對(duì)信號(hào)的延時(shí)是納秒級(jí)（nS），幾乎不會(huì)超過(guò)100nS，因此相對(duì)延時(shí)忽略不計(jì)。由此，AFE本身是通訊時(shí)間花銷也是影響響應(yīng)的因素之一。如果盡量減少系統(tǒng)內(nèi)AFE使用的數(shù)量，同時(shí)提升通訊速度，那么也是可以提升響應(yīng)速度的。
最后，MCU通訊速度。MCU對(duì)外通訊取決于MCU本身的主頻及通訊接口等因素。在選型確定后，時(shí)間花銷也基本被固定了。
由以上簡(jiǎn)單分析可知，MCU是固定時(shí)間花銷，隔離器納秒級(jí)延時(shí)的改善不顯著，而AFE在時(shí)間花銷上的改善卻可以大大提升系統(tǒng)響應(yīng)及相關(guān)的安全性。
在系統(tǒng)響應(yīng)改善措施中，較少AFE使用數(shù)量會(huì)帶來(lái)最顯著改善效果，其次是AFE菊花鏈通訊速度和安全性提升，最后是菊花鏈相關(guān)隔離器、線束等。
新唐科技最新推出業(yè)界最高25串的第四代電池監(jiān)控芯片系列產(chǎn)品。這個(gè)系列是一組套片，它包含了電池電芯監(jiān)控芯片（BM-IC），電池包監(jiān)控芯片（PM-IC）和隔離通訊芯片（COM-IC）三個(gè)部分。下圖為簡(jiǎn)要的BMS系統(tǒng)架構(gòu)和對(duì)應(yīng)產(chǎn)品型號(hào)。相關(guān)產(chǎn)品特性請(qǐng)?jiān)L問(wèn)新唐科技網(wǎng)站查詢。
新唐科技BMIC最高單芯片可以管理25串電池電芯，因此以800V電池系統(tǒng)平臺(tái)為例，AFE的使用數(shù)量會(huì)減少35 ~ 45%，同時(shí)新唐科技AFE產(chǎn)品內(nèi)部集成了全溫采集精度可達(dá)到1.5mV并同時(shí)有高達(dá)20us/ch轉(zhuǎn)化速率的高精度ADC。AFE數(shù)量減少35 ~ 45%和采集速度的提升，就意味著系統(tǒng)響應(yīng)速度也會(huì)有相應(yīng)的提升。再考慮到系統(tǒng)失效率與器件失效率的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，AFE的減少意味著系統(tǒng)安全節(jié)點(diǎn)隨之減少，系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。同時(shí)，隨著AFE使用數(shù)量的減少，以AFE為核心的BOM成本也隨時(shí)減少 ，性價(jià)比得到了提升。
其次，新唐科技BMIC內(nèi)置的菊花鏈通訊，最高通訊速度可達(dá)4MHz。相較于目前市場(chǎng)主流應(yīng)用的2.5MHz通訊速度提升了約60%。
最后，新唐科技在歷代電池監(jiān)控系列產(chǎn)品中一以貫之的高安全性設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，如SOI（Silicon On Insulation）高壓工藝、完全冗余設(shè)計(jì)、雙向菊花鏈等，也繼續(xù)被應(yīng)用在最新的第四代電池監(jiān)控芯片中。相關(guān)工藝和技術(shù)大大提升了AFE產(chǎn)品和系統(tǒng)的魯棒性，在有效提升系統(tǒng)響應(yīng)的同時(shí)提升了安全性。
綜上所述，高串?dāng)?shù)AFE產(chǎn)品是目前平衡800V汽車電池或1500V集裝箱儲(chǔ)能電池平臺(tái)在安全性、系統(tǒng)響應(yīng)和性價(jià)比三方面比較合適的選擇。新唐科技是目前業(yè)界提供超過(guò)20串AFE產(chǎn)品并同時(shí)擁有超過(guò)10年市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的唯一廠商。
新唐科技也期待與業(yè)界相關(guān)客戶深度合作，共同提供安全、穩(wěn)定、高性價(jià)比的電池產(chǎn)品。歡迎大家訪問(wèn)新唐科技相關(guān)網(wǎng)站或新唐代理商做進(jìn)一步咨詢。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2024-10-17
