在電動(dòng)汽車所有的電子系統(tǒng)中，電池系統(tǒng)無疑是大家都密切關(guān)注的。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身鋰離子電池以及電池管理系統(tǒng)，也就是我們常說的BMS。BMS既要能夠大幅度提高電池的使用率，也要對(duì)電池的安全性負(fù)責(zé)。

BMS中采集器與控制器是兩大核心，目前采集器基本上都使用集成AFE，只有少數(shù)還在使用很早的分立元件采樣電路。采集器里的重中之重就是AFE芯片，這一塊國(guó)內(nèi)起步較晚，基本被國(guó)外大廠所壟斷，ADI、TI、NXP、松下、ST等等。

僅從AFE芯片本身的角度來看，各個(gè)不同AFE在外比較通道數(shù)量、面積、成本，在內(nèi)比的是穩(wěn)定性。在不同通道數(shù)量和采集性能（電壓采集誤差、速度、漏電流），每個(gè)芯片企業(yè)在模擬采集處理這里的差異還是挺大的。

合適的AFE——低噪高精度

首先我們需要的明確的是相對(duì)其他器件擁有廣泛的選擇來說，AFE可供選擇的余地并不那么多，目前市面上主流國(guó)際大廠那些我們較為熟悉的AFE，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以說是大同小異，不同點(diǎn)更多集中在硬件資源方面以及針對(duì)功能安全要求設(shè)計(jì)的架構(gòu)形式。

以ADI的LTC系列為例，為了實(shí)現(xiàn)卓越的準(zhǔn)確度，系列采用了一個(gè)專用掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)，掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)隨時(shí)間和工作條件變化，能實(shí)現(xiàn)以不到1.2mV的誤差測(cè)量，穩(wěn)定和準(zhǔn)確兼顧。像LTC6811可測(cè)量多達(dá)12個(gè)串接電池的電壓，不超過1.2mV的總測(cè)量誤差。所有的12節(jié)電池可在不超過290μs內(nèi)完成測(cè)量。

進(jìn)一步看，如何在有噪聲的情況下確保測(cè)量準(zhǔn)確度？主流廠商的做法是通過ADC，但需要在降低噪聲與轉(zhuǎn)換速度之間進(jìn)行權(quán)衡，也就是選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率來實(shí)現(xiàn)更高的噪聲抑制。使用增量累加ADC多次采樣，然后進(jìn)行數(shù)字濾波。集成的低通濾波會(huì)消除作為測(cè)量誤差源的噪聲，確保前端在有噪聲的情況下仍然確保測(cè)量準(zhǔn)確度。

下面是主流BMS模擬前端廠商各系列主流型號(hào)在通道數(shù)以及測(cè)量總誤差指標(biāo)對(duì)比。


選擇AFE時(shí)，首先關(guān)注的肯定是采集精度以及測(cè)量誤差。采集精度是前提，剩下的不同主要在采樣通道數(shù)量、內(nèi)部ADC的數(shù)量、類型與架構(gòu)上。如果再細(xì)一點(diǎn)，那就細(xì)節(jié)到溫度點(diǎn)數(shù)量，功能安全需求等。除此之外，EMC是一個(gè)不可忽視的因素，在復(fù)雜的汽車射頻環(huán)境下模擬前端的EMC也是很重要的一環(huán)。

BMS模擬前端：通信與可靠性

在車規(guī)應(yīng)用上，往往會(huì)使用多種BMS監(jiān)視拓?fù)鋪頋M足器件對(duì)準(zhǔn)確性、可靠性、成本和功耗的需求。要知道為了在電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車的高EMI環(huán)境中支持分布式模塊化拓?fù)?，穩(wěn)健的通信系統(tǒng)必不可少。

在TI經(jīng)典的BQ系列模擬前端上，有多個(gè)GPIO/輔助輸入可用于熱敏電阻測(cè)量、驅(qū)動(dòng)繼電器、測(cè)量電壓以及用作外圍 SPI 器件的主SPI接口，還支持通過UART進(jìn)行通信。此外，BQ系列模擬前端上隔離式差分菊花鏈通信接口允許主機(jī)通過單個(gè)接口與其他UIR監(jiān)視器甚至電芯監(jiān)視器進(jìn)行通信。如果將菊花鏈通信接口配置為環(huán)形架構(gòu)，主機(jī)在通信線路中斷時(shí)能夠與堆疊任一端的器件進(jìn)行通信。

NXP的MC3377系列BMS AFE同樣支持標(biāo)準(zhǔn)SPI和變壓器隔離菊花鏈與MCU進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制。通過變壓器物理層以菊花鏈形式連接BJB是一個(gè)很有吸引力的辦法。TPL接口專為BMS設(shè)計(jì)，能夠支持高隔離電壓，還有更高的電磁兼容性EMC特性以及更快的通信速度和同步測(cè)量，降低了與本地軟件有關(guān)的復(fù)雜性。

ADI則通過創(chuàng)新的雙線式isoSPI實(shí)現(xiàn)低功耗和高可靠性。為了提高可靠性，將isoSPI收發(fā)器連接到電池組的頂部，創(chuàng)建一個(gè)支持雙向通信的環(huán)形拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)雙通道高可靠性通信。isoSPI接口還提供了抗噪接口用于高電平RF信號(hào)，利用該接口可以將模塊通過長(zhǎng)電纜以菊花鏈形式連接，并以高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。

在電池組這種充滿電磁干擾挑戰(zhàn)的環(huán)境里數(shù)據(jù)通信鏈路肯定要進(jìn)行特別處理，以確保測(cè)量芯片與系統(tǒng)控制器之間穩(wěn)健可靠的通信。

小結(jié)

不難看出，集成式BMS AFE在芯片層面解決了相當(dāng)一部分的系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能安全的問題。目前主流的這些BMS模擬前端，從高精度到低噪聲，從通信設(shè)計(jì)到系統(tǒng)穩(wěn)健性都領(lǐng)先不少。車載應(yīng)用上很難脫離這些芯片。畢竟在汽車惡劣的浪涌脈沖困難下，如果前端設(shè)計(jì)不好，后面的設(shè)計(jì)也無從談起。

在上述這些主流AFE極度缺貨的背景下，一些國(guó)產(chǎn)替代芯片獲得了不少認(rèn)可，下期我們來看看國(guó)內(nèi)的高精度BMS模擬前端芯片。