十年间，汽车电池管理系统（BMS）技术经历了长足的发展。如今，有几项多电池单元均衡（MCB ）IC特性在满足电动汽车（EV ）、插电式混合动力汽车（PHEV）和油电混合动力汽车（HEV）电池系统的严格安全、可靠性及性能要求方面发挥着关键作用。下一步，IC 制造商希望通过集成诸如内置电池单元均衡和电流测量等关键特性来进一步实现功能优化。

BMS  IC的关键功能之一是准确测量每个电池单元的电压，当然这是会直接影响汽车的行驶里程及其电池的总体预期寿命。电池单元测量精度对具有平坦放电曲线的电池类型特别重要。例如，磷酸铁锂电池由于其低内阻而对较小的电池组有利。这些电池类型使系统工程师有必要检测电池单元电压在电池放电时的微小变化。除系统设计挑战外，还有一个事实，就是检测这些变化已成为准确计算充电状态（SOC ）和健康状态（SOH）的关键。
本文考察了电池系统设计工程师对BMS IC选择必须做的决策，以确保在整个工作环境和在汽车使用寿命中电池单元测量的精度。测量这些微小的电池单元电压变化，需要精密地结合使用模拟前端（AFE）、准确和稳定的电压基准源和精密模/数转换器（ADC），这对MCB IC设计工程师来说是个严峻的设计挑战。对于汽车生产商，成功的BMS实现需要在系统设计伊始精心选择MCB IC，这要求理解各家IC供应商产品在测量精度和稳定性方面的差异。

多电池单元均衡IC的构成要素

任何MCB IC的核心都是一个精密（电压）基准源。所用基准源拓扑的类型可能不同，但最常使用的类型是带隙，这是由于其在精度与裸片面积之间取得了最佳平衡。例如，ISL78600多单元锂离子电池管理器使用一种精密带隙基准源设计，实践证明其非常可靠，并且非常适用于要求苛刻的汽车应用。该技术稳定成熟、特征性能优秀，并在多年使用中基于大量真实性能数据不断优化，其卓越的性能特征使该精密带隙基准源在MCB IC的使用寿命期间非常稳定并表现出线性关系。这是设计工程师在计算汽车电池寿命时的一个关键考虑事项，它直接影响汽车生产商的保修与拥有成本度量标准。

图1  ISL78600多单元锂离子电池管理器的简化图

除精密基准源外，保证测量精度的另一个关键功能块是ADC。IC设计工程师必须决定使用何种类型的ADC作为主电池单元电压测量块。最普遍和常用的两种ADC类型是逐次逼近寄存器（SAR）和delta-sigma。SAR具有最快采样速率，并提供高速电压转换和卓越的抗噪性能，但常常需要较大的裸片面积。SAR ADC还提供数据采集速度、精度、稳健性和抗电磁干扰（EMI）效应的最佳组合。

另一方面，IC设计工程师喜欢使用delta-sigma ADC，因为它们通常需要较小的裸片面积，且相对易于实现。但其速度一般缓慢，因为它们使用抽取滤波器，这降低了采样速率和数据采集速度。为克服这个问题，设计工程师使用基于交错（interleaved）配置的两个或更多delta-sigma ADC。实施delta-sigma ADC时的另一考虑事项是其在受到电磁干扰时的易饱和性，这会造成电池单元电压误报。

各个电池单元接口均由AFE管理，AFE包含输入缓冲器、电平转换器和故障检测电路。AFE对处理当电池单元初始连接至BMS时产生的“热插拔”瞬态现象具有关键作用。ISL78600设计采用的是全差分AFE，这可支持负输入电压测量而不影响相邻电池单元测量。这在需要“母线”的系统中是很有优势的。为了改善瞬态条件下的稳健性，给电池单元电压输入添加一个外置低通滤波器。对输入滤波要求进行优化，以提供最高的抗电磁干扰和抗热插拔瞬变性能，同时又不会

影响速度或精度。相比之下，使用双极而非电荷耦合AFE的IC，会使其精度受到针对输入滤波器而选择的元件值的不利影响。图1显示了ISL78600的三个功能块及其互连。
稳定和线性的带隙基准源、SAR ADC和全差分AFE的组合，向多单元锂离子电池管理器提供快速数据采集功能以及稳健性与高精度。ISL78600的高精度是在安装到印刷电路板（PCB）上之后独立验证的，而非仅依赖出厂时测量的精度值。图2显示了ISL78600在一定电池单元电压和温度范围内的精度。这对电池系统设计工程师至关重要，因为他们要根据系统误差预算来支持汽车的使用寿命，且必须能够将可靠和可预测的精度数字考虑
在内。

因此，建议工程师进行认真考察，并应当详细比较每个IC供应商的详细数据表，特别是在精度、数据采集速度和输入滤波器要求（包括其对精度的影响）等方面。

PCB布局和配置考虑事项
焊接会引起PCB上的应力，这会使MCB IC 在X和Y平面“挠曲”，并导致硅片性质的亚原子级改变。这会影响IC的行为，特别是基准电路块。由于基准源是测量电路的关键组成部分，所以其特征的任何变化都会直接影响ADC的精度。在精密IC行业，这一现象众所周知并得到充分认识，考虑到这一点，IC设计工程师会仔细地将灵敏电路放在电路板上不易受焊接和其他制造应力影响的区域。
另外，还有成本更高的基准源设计技术可供IC设计工程师使用，例如在同一IC 封装之内将分离的基准电路放在其自己的裸片上，或者使用完全分开的分立基准源IC。无论使用哪种IC技术，PCB设计和制造阶段都非常重要，所以，利用标准精密元件PCB布局和认真考虑IC安装与焊接温度曲线有助于缓解所出现的任何问题。

例如，如果设计工程师遵循循ISL78600的建议PCB布局指南和回流焊温度曲线，则IC的电路板级电池单元读数精度和长期漂移特征就是对数式的和可预测的。这导致典型电池单元读数误差在10年使用寿命内仅为1.2 mV（见图3）。

结束语

电池管理设计的一个关键要素是考虑到电池性能，而电池性能受MCB IC在汽车使用寿命内保持高测量精度的能力的直接影响。电池单元测量的任何漂移或不稳定性，都会直接影响汽车的行驶里程和电池寿命，进而影响汽车生产商的保修和拥有成本。由于有许多基于不同精度测量拓扑和技术的MCB IC可供选择，所以系统设计工程师必须仔细考虑其IC选择和使用。理解测量、方案和拓扑方面的根本差异及其相互关系对选择最适合BMS应用的IC很有帮助。