英飛凌高性能 BMS 解決方案助力汽車電動化

來源: 英飛凌汽車電子生態圈

隨著電動汽車越來越被大眾接受，車輛電氣化、智能化程度越來越高，如何提高電動汽車的續航里程，同時保障車輛安全可靠持久運行是當前最主要的技術難題之一。而先進的電池管理系統 （BMS）有助於克服電動汽車廣泛普及的關鍵障礙：續航里程、安全問題、可靠性和成本。

電池管理系統的核心任務是確保電池所荷載的能量得到高效安全利用，其中關鍵部分是充放電的管理、電芯的電壓溫度參數監測、電池的保護以及信息安全的保護。為此，英飛凌推出了模擬前端 TLE901x 產品系列，包括 9ch/12ch/16ch/18ch 產品，可滿足 12v/24v/48v/400v/800v 不同電壓平台系統應用。

TLE901x 系列產品可以實時精準地監測單體電壓、溫度等狀態，實現 SOC，SOH 準確估算，從而延長電池壽命，增加電池安全性。其優異的表現不僅體現在提升產品性能，更能幫助縮短產品開發週期和節約成本。

● 英飛凌 SPT 技術提升產品魯棒性和良率，助力汽車安全

Figure.1 DfS Guarantee Ultra Quality

涉及生命財產安全，汽車的安全性可靠性永遠是用戶最關心的指標之一。

英飛凌的 TLE9018DQK 採用 120v/130nm 工藝，具備優異的魯棒性，在外部無任何保護器件的條件下，可經受住 EMC，熱插拔及浪涌等干擾衝擊。在保證系統安全可靠的前提下，可實現外部電路的最簡化。

TLE9018DQK 沿用了英飛凌特有的 SPT（smart power technology）技術，該技術有超過十年的迭代經驗，累計生產銷售 5.5 億顆器件，使產品具有極低的不良率。根據最新數據統計，不良率僅 0.04ppm。即每生產 2500 萬顆芯片，僅存在一顆失效。按照每輛汽車使用 8 顆 TLE9018，每生產 300 萬輛車，僅一輛失效。

● 獨立專用 ADC 消除轉換延遲誤差，助力汽車系統穩定

Figure.2 Dedicated ADCs Synchronizing Cells Measurement

電動汽車智能化、電氣化水平的提高，帶來了系統複雜度的指數性增加，如何確保系統穩定的運行，精準的診斷，一直是需要克服的課題。

英飛凌 TLE9012DQU 集成了 20 顆獨立專用 ADC，18 顆 16bit delta-sigma ADC，1 顆 11bit SAR ADC。 19 顆 16bit delta-sigma ADC 中，18 顆獨立地對應 18 路電壓檢測通道，1 顆用做總壓及 8 路 NTC 測量。 11bit SAR ADC 作為功能安全冗餘 ADC。

由於採用 18 顆獨立 ADC，TLE9018DQK 可實現 18 通道間 0 同步誤差採樣，8 種 filter 模式可供選擇，filter time 從 70us 到 9.36ms，可應對外部複雜噪聲環境以保證精度。器件採用了兩顆獨立高精度參考源，其中單體電壓檢測通道對應參考源A，總壓、NTC 測量以及冗餘 SAR ADC 對應參考源 B。由於彼此間採用了獨立的採樣迴路和參考源，18 路電壓累加和可以與總壓採集做精度校驗，18 路單體電壓同時也可以和冗餘 ADC 採樣結果做精度校驗。

以上靈活冗餘的配置，可保證系統的安全性，在發生某種失效時，可以迅速精確診斷。

TLE9018DQK 具有極高精度和極快的採樣速率，最快 70us 可完成 18 通道電壓採集任務。輔助 ADC 一方面可與主 ADC 進行精度校驗，保證芯片可靠性，另一方面提供硬件二次過欠壓保護。

以 8 個節點，96 串電芯為例。 Filter time 選擇 4.68ms，UART 通信速率選擇 2M。從主控轉換命令發出，到芯片採樣任務完成，最後將 8 個節點 144 串電芯電壓數據全部讀回，僅用時 8.2ms。能很好的滿足系統節點較多，數據刷新間隔短的應用需求。另外，節點 1 與節點 8 間的同步誤差僅 7us，這對實現 SOC 精確估算至關重要。

● 應力感測器確保全生命週期精度一致性，助力汽車持久耐用

Figure.3 Device Variation Remains Stable Over Lifetime

汽車作為低頻消費耐用品，動則 10 數年或者 30 萬公里的生命週期，對器件的耐久性有非常高的要求。

TLE9018DQK 通過了 AEC Q100 認證，AEC Q100 對產品全生命週期精度一致性有非常嚴苛的要求，為了保證 15 年生命週期精度的一致性，TLE9018DQK 內部放置了四顆應力傳感器，以消除由於老化溫濕度帶來的轉換誤差。

為了驗證該設計有效性，實驗挑選 3 個不同批次 77 個樣本，分別對在經過 260℃/240s 回流焊，1000 次/2000 次冷熱衝擊循環後器件做了精度測試，結果顯示，在同輸入條件下，不同器件之間最大轉換差異小於 1mv。證明 TLE9018DQK 具有很好的一致性。

● 獨立 ADC 與數字濾波保證器件轉換精度與穩定性

Figure.4 A high intrinsic ADC repeatability fits perfectly to the BMS application

TLE9018DQK 測量結果具有極好的穩定性。在外部輸入穩定的條件下，同樣挑選 3 個不同批次 77 個樣本，在輸入電壓穩定時，同一通道 1000 次連續測量結果之間最大差異在 153uv 以內，即 2 個 lsb。可見器件不會因為內部噪聲干擾造成測量結果的前後跳變。

● 電流源 NTC 測量簡化外部電路

Figure.5 Internal Current Source For NTC Detection

芯片具有 8 路 NTC 檢測通道，由於內部採用自帶上拉電流源及多檔位匹配測量方式，消除了由上拉電壓源漂移及上拉電阻帶來的測量誤差，可精確檢測 400Ω 至 400k RT 範圍阻值。

英飛凌致力於克服複雜系統設計挑戰，緊跟產品市場需求，並為此提供了品類豐富且性能先進的 BMS 解決方案，助力汽車製造商打造更安全、更可靠的駕駛體驗。憑藉英飛凌在 BMS 解決方案領域的持續創新和所具備的系統專業知識，助力推動電動汽車在全球範圍內的普及。

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