引言

技術創新將解除電動汽車大規模采用的最后障礙

目前有兩個主要的中斷影響車輛運輸和半導體技術的未來。首先是從內燃機轉向電動機驅動。第二個是基于寬帶隙材料的新型功率開關（用于電機驅動系統）的出現。這些提供的品質因數比現有的基于硅的解決方案好 10 倍。然而，由于電池占最終車輛成本的 25% 以上，優化能源使用是實現大規模電動汽車 （EV） 采用的關鍵之一。實現這一目標意味著認識到每一瓦的消耗都是至關重要的，并將子系統效率作為汽車系統設計中最重要的選擇標準。

動力系統電源管理的最新進展（見圖 1）——包括隔離式柵極驅動器、傳感和 BMS——為設計人員提供了發揮創意的機會，以提高系統效率，同時控制系統成本。

圖 1. EV 動力總成系統。

新型隔離柵極驅動器技術

碳化硅 （SiC） MOSFET 以 EV 傳動系統中的下一代牽引逆變器為目標，憑借其自身的優點，被廣泛預期與現有的標準 EV 行駛周期相比，其續航里程將增加 4% 至 10%基于硅的技術。1 與支持組件一起得到適當利用，這種能效提升可能代表著在建立消費者對電動汽車續航里程的信心方面向前邁出的一大步，從而有助于加速電動汽車的采用。

隔離式柵極驅動器的首要目標是保護人員和設備免受 SiC 開關兩端的高壓影響。第二個是確保通過隔離柵的傳播延遲短而準確。實際上，在支路配置中，與牽引逆變器系統一樣，有兩個晶體管（一個高側和一個低側），它們不應同時導通以避免短路。出于這個原因，來自微控制器并進入晶體管柵極的脈寬調制 （PWM） 信號需要具有類似的傳播延遲。然后，由于需要補償任何延遲，因此較短的傳播延遲可實現最快的控制環路。

除此之外，隔離式柵極驅動器將負責設置最佳開關最佳點、控制電源開關過熱、檢測和防止短路，以及促進子模塊驅動/開關功能的插入。 ASIL D 系統。

SiC 開關的所有固有優勢都將被常見的噪聲擾動以及由于在管理不善的電源開關環境中產生的超快電壓和電流瞬變而產生的極高和破壞性電壓過沖所抵消。從廣義上講，盡管有底層技術，SiC 開關的功能相對簡單——它只是一個 3 端子器件——但它必須小心地與系統接口。

隔離：系統效率的關鍵要素

SiC 開關引入的高壓擺率瞬變會破壞隔離柵上的數據傳輸，因此測量和了解系統對這些瞬變的敏感性至關重要。基于具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器（參見圖 2）的技術表現出理想的共模瞬態抗擾度 （CMTI），測量性能高達 200 V/ns 甚至更高。聚酰亞胺絕緣技術在安全操作下釋放了 SiC 開關時間的全部潛力。

圖 2. 具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數字隔離器使用代工 CMOS 工藝。變壓器是差分的，可提供出色的共模瞬態抗擾度。

開關能量和電磁兼容性 （EMC） 同樣可以最大化，以提高功率性能，并最終提高 EV 續航里程。更高的驅動能力使設計人員能夠擁有更快的邊沿速率，從而降低開關損耗。更高的驅動能力不僅有助于提高效率，而且無需為每個柵極驅動器分配外部緩沖器，從而節省電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統可能需要更慢地切換以實現最佳效率，甚至在研究表明可以進一步提高效率的階段。ADuM4177 _預發布的 30 A 柵極驅動器提供一流的驅動強度、可調壓擺率（參見圖 3）和 SPI。該器件的額定峰值為 1500 V，直流工作電壓符合 DIN VDE V VD0884-11，可用于 400 V 或 800 V 系統。圖 4 和圖 5 顯示了 600 V/460 A 時 11 mJ 的開啟和關閉開關能量。我們還可以注意到開啟時的最小振鈴，以及非常可控的關閉時的過沖。

圖 3. ADuM4177 的壓擺率控制。

圖 4. 驅動 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 時顯示 11 mJ 開啟。

圖 5. 驅動 CAB450M12XM3 的 ADuM4177 在 600 V/460 A 下顯示 11 mJ 關斷。

不妥協的穩健性

考慮到更小的芯片尺寸和嚴格的熱包絡，短路是基于 SiC 的功率開關 （MOSFET） 的主要障礙。柵極驅動器為 EV 動力總成的可靠性、安全性和生命周期優化提供必不可少的短路保護。

高性能柵極驅動器已在實際測試中證明了其價值。在包括短路檢測時間和總故障清除時間在內的關鍵參數中，性能可分別低至 300 ns 和 800 ns。為了獲得額外的安全和保護，測試結果證明了可調節的軟關機功能對于系統平穩運行至關重要。

進入磁阻 （MR） 電流傳感器技術

如圖 1 所示，需要為逆變器控制回路檢測直流和相電流。使用 SiC 功率開關，更高的開關速率和開關頻率是可能的，當控制回路有足夠的相位裕度時，這可以帶來更高的效率和更好的負載調節。為了在開關頻率下實現恒定響應和低相位延遲，電流測量的頻率需要至少高十倍。這使得電流傳感解決方案的帶寬成為充分利用 SiC 開關的關鍵因素。

霍爾傳感器，實現最高性能的障礙

在牽引逆變器中測量電流的傳統方法使用霍爾傳感器，該傳感器通過測量流過導體的電流產生的磁場來工作。然而，它們缺乏靈敏度，需要使用通量集中器（或磁芯）來放大磁場，以便對其進行測量。結合霍爾傳感器和磁芯的模塊廣泛可用，但可能會對系統設計造成重大限制。這些模塊很重、體積大，并且容易受到機械損壞，這可能會成為導致現場返回的可靠性問題。此外，磁芯中磁性材料的存在將對頻率響應產生強烈影響，除非使用特殊且昂貴的材料。今天，這些模塊的帶寬限制在 50 kHz 到 100 kHz。

使用分流解決方案的挑戰

另一種測量較低電流的方法是通過分流器、電流檢測放大器和模數轉換器 （ADC）。分流器已經存在很多年了，隨著時間的推移不斷改進，以實現它們眾所周知的穩定性。然而，分流解決方案的兩個主要缺點是自熱（功耗為 R×I2）以及在某些應用中需要隔離。降低分流電阻可以減少自熱，但這也會降低相關信號的幅度。分流器還具有寄生電感，它限制了待測電流的帶寬。由于存在這些限制，電力系統必須尋求不同的技術來解決當前的測量挑戰。

下一代電流測量和更簡單的系統設計：MR 傳感器

MR 傳感器還通過測量流過導體的電流產生的磁場來工作。但是，MR 傳感器比霍爾傳感器靈敏得多，因此無需磁芯。如果沒有這個障礙，MR 傳感器本身的固有功能（例如高帶寬、精度和低偏移）允許更簡單的系統設計。

去除笨重的磁芯意味著必須額外注意相位之間的串擾和外部磁干擾的可能性。Analog Devices 的解決方案利用 MR 傳感器的設計靈活性來減弱此類干擾的影響。ADI 提供設計指南和工具來幫助工程師設計無芯電流測量系統。

使用 AMR 傳感器的無芯傳感

圖 6 顯示的解決方案不僅比基于磁芯的解決方案帶寬更高、更準確、更輕，而且還構建在標準 PCB 上，從而降低了系統復雜性和集成成本。它呈現了一個環形架構，由六個各向異性磁阻 （AMR） 傳感器組成，這些傳感器排列成一個圓圈，以整合要測量的磁場。磁場的集成將抑制外部雜散場，從而實現對均勻雜散場的高抑制和低串擾。每個單獨的傳感器都感應由放置在電路板中心的電線/母線產生的磁場。這些傳感器的輸出在模擬域中相加，產生的電壓輸出與流入導體的電流成正比。

圖 6. 采用環形架構的無芯傳感。

可以改變使用的傳感器數量，以實現對雜散場或環內導線放置容差的不同級別的魯棒性。環的直徑可以按比例放大或縮小以匹配系統的目標電流范圍。通過這種方式，單一設計方法（但可能具有多種尺寸）允許跨系統和平臺重用，從而縮短開發時間并降低系統成本。

ADI 將發布面向儀表和工業市場的 ADAF1080。ADAF1080 具有高磁性范圍、固有隔離測量以及在整個壽命和溫度范圍內的零偏移，從而在閉環系統中實現低輸出紋波和高效率，為下一代電流測量鋪平了道路。ADAF1080 可以實現非接觸式和無芯電流測量，具有高達 2 MHz 的 3 dB 帶寬。這些性能共同提高了逆變器的效率，進而擴展了車輛的續航里程。

能源管理

在邁向最高性能的道路上，無論電動汽車處于“開啟”、“待機”還是“睡眠”模式，每一瓦特都很重要。尖端的電源管理解決方案可以進一步提高整體車輛效率，這與額外的里程相關，同時不會影響從低電流/低電壓到高電流/高電壓應用的最佳 EMC 性能。

高壓反激電路的設計挑戰

在功能安全的系統中，電壓供應的連續性至關重要。從高壓電池生成本地低壓軌起著關鍵作用。在傳統的隔離式高壓反激式轉換器中，使用光耦合器將調節信息從次級側參考電路傳輸到初級側來實現嚴格調節。問題是光耦合器極大地增加了隔離設計的復雜性：存在傳播延遲、老化和增益變化，所有這些都會使電源環路補償復雜化，并會降低可靠性。此外，在啟動期間，需要一個泄放電阻器或高壓啟動電路來為 IC 初始供電。除非在啟動組件中添加額外的高壓 MOSFET，否則泄放電阻器是不受歡迎的功率損耗源。

無需光耦合器

通過對來自第三個繞組的隔離輸出電壓進行采樣，無需光耦合器進行調節。輸出電壓通過兩個外部電阻器和第三個可選溫度補償電阻器進行編程。邊界模式操作有助于實現出色的負載調節。由于在次級電流幾乎為零時檢測輸出電壓，因此不需要外部負載補償電阻器和電容器。因此，該解決方案的元件數量很少，大大簡化了隔離式反激式轉換器的設計。

啟動優化

使用內部耗盡型 MOSFET（具有負閾值電壓并且通常處于開啟狀態），無需外部泄放電阻器或其他啟動組件。一旦對本地 12 V 電容器充電，耗盡型 MOSFET 就會關閉以減少功率損耗。

超低靜態電流

為了實現超低靜態電流，應實施多種機制。應在輕負載時降低開關頻率，同時保持最小電流限制，以便在正確采樣輸出電壓的同時降低電流。在待機模式下，通過將其開關頻率降低 16 倍（3.5 kHz 至 220 kHz）以及將預負載電流保持在低于全輸出功率的 0.1%，LT8316的靜態電流低于 100 μA。

極寬輸入范圍操作（18 V 至 1000 V）

LT8316 額定在高達 600V 的 VIN 下工作，但可以通過將一個齊納二極管與 VIN 引腳串聯來擴展，以進一步提高解決方案的可擴展性。齊納二極管兩端的電壓降降低了施加到芯片上的電壓，使電源電壓超過 600 V。將 220 V 齊納二極管與 VIN 引腳串聯，啟動的最小電源電壓為 260 V，給出或采取，考慮齊納二極管的電壓容差。請注意，啟動后，LT8316 將在低于 260 V 的電源電壓下正常工作。

圖 7. LT8316 反激式轉換器的效率。

圖 8. LT8316 反激式轉換器的負載和線路調節。

圖 7 顯示了不同輸入電壓下的效率，反激式轉換器實現了 91% 的峰值效率。即使沒有光耦合器，不同輸入電壓下的負載調節仍然很嚴格，如圖 8 所示。

電池管理系統

BMS 密切監視和管理多節電池組的充電狀態 （SOC）。對于大型、高壓電池組，例如電動汽車中的電池組，準確監控每個電池單元和整體電池組參數對于實現最大可用容量以及確保安全可靠運行至關重要。BMS 的準確性將從電池中釋放更多能量，這直接轉化為電動汽車每次充電可以提供的里程數，最大限度地延長電池的整體壽命，從而降低擁有成本。

2009 年，凌力爾特（現為 ADI 的一部分）將第一款電池監視器 IC 推向市場。它與運算放大器、多路復用器和 ADC 集成以測量電池電壓和溫度。10 多年后，ADI 憑借 100 多款車型的 5 代路經驗證設備，引領 BMS 行業。

生命周期總測量誤差 （LTME）

我們最近發布的 BMS 產品是ADBMS6815（參見圖 9），它具有行業領先的 1.5 mV LTME。相對于行業基準，這幾乎是 LTME 的 2 倍。

汽車 OEM 和 Tier 1 已確認每 mV 的 LTME 對 SOC 估計的影響超過 5%，因此要求 OEM 在報告車輛的剩余續航里程時過于保守。對于價值 9000 美元的高壓電池組，SOC 估計中 1% 的誤差會使系統每 mV 誤差損失約 90 美元。LTME 包括熱滯后、回流焊、量化誤差（噪聲）、濕度敏感性和長期漂移。

在使用 16 個 12 通道器件的 800 V 系統中，與具有 1.5 mV 誤差的 ADBMS6815 相比，4 mV 誤差（最先進的技術）具有約 225 美元的總擁有成本，同時實現了更好的 SOC 估計和擴展 EV 范圍。

圖 9. BMS 多單元解決方案的 ADBMS6815 應用圖。

ADBMS6815 有兩個 16 位 sigma-delta ADC，每個 ADC 多路復用在 8 個通道上，并帶有 8 個可編程過采樣率，允許低至 26 Hz 和高達 27 kHz 的濾波。憑借 300 mA 的電池平衡能力，ADBMS6815 消除了外部放電開關，每個 BMS IC 也節省了約 0.50 美元。此外，該設備完全支持最新要求，即使在車輛鑰匙關閉時也能通過監控電池來對電池熱問題進行早期預警。

無線 BMS （wBMS）

wBMS 解決方案代表了三大技術支柱的組合，即 BMS 性能、無線電解決方案和網絡協議技術。wBMS 系統解決方案專為汽車電池管理用例定制，為下一代電動汽車提供安全、可靠、穩健且可擴展的端到端 wBMS 系統解決方案。

wBMS 系統的核心是射頻網絡。該網絡在 2.4 GHz 頻段運行，是一個冗余星形拓撲。這意味著網絡中的每個節點都可以直接與 2 個管理器中的 1 個進行通信。該網絡還支持 2 跳故障轉移模式，在這種模式下，如果發生通信故障，節點可以通過另一個節點跳回網絡管理器來繼續通信。wBMS 系統是專門為電池組和 EV 環境構建的網絡。該無線系統將高性能 2.4 GHz 無線電與時間信道跳躍 MAC 層和提供確定性以及路徑、時間和頻率分集的網絡層集成在一起。這些關鍵特性結合起來克服了操作環境中的鏈路和干擾挑戰。

取消電池組線束是 wBMS 與 BMS 不同的主要特征之一（參見圖 10 和圖 11）。根據電池組架構，這可以為下一代電動汽車節省多達 90% 的布線和電池組系統中多達 15% 的體積，從而減少電池組材料和更高（能量）密度的電池組的可能性。

電池組通信線束的移除也消除了對汽車設計的嚴格限制。這使得模塊化包裝系統能夠實現更簡單的包裝、自動化/機器人組裝以及時間和成本效益高的制造過程。更簡單、更模塊化的電池組設計開啟了跨電動汽車產品組合重復使用設計的可能性，并帶來了不受容納大量線束和連接器組件限制的設計靈活性。

圖 10. BMS 系統中 12 個模塊的典型有線包。

圖 11. wBMS 系統中由 12 個模塊組成的典型無線包。

wBMS 是二次電池組的關鍵推動力

為了進一步改善車輛的整體碳平衡，考慮電池組的第二次使用至關重要。電池組應在其整個生命周期內受到密切監控，而 wBMS 使這很容易實現。

在壽命開始時，電池模塊在組裝之前可能會在運輸或倉庫庫存中花費很長時間。無線 BMS 可實現持續的開路電壓和溫度監控，從而可以在早期故障成為問題之前識別它們。此外，壽命可追溯性和監控也可以在電池組組裝之前和整個電池生命周期內連續存儲/更新在獨立的無線啟用電池模塊上。這些特性與通信線束的消除相結合，可以更輕松且經濟高效地過渡到電池組的第二次使用。

結論

ADI 的動力總成創新解決方案，例如一組具有超過 150 V/ns CMTI 保護和低于 1 μs 短路保護的新型隔離式柵極驅動器，正在釋放基于 SiC 的新型高性能牽引逆變器系統的全部潛力。

重要的是要注意，柵極驅動器和 SiC 開關解決方案的綜合價值和性能可能會因周圍組件的妥協和/或低效率而被完全抵消。包含廣泛設計考慮因素的系統級方法是性能優化的關鍵。

在電池管理方面，ADI 的產品通過提供卓越的電池感應、最高級別的汽車安全性、最廣泛的 EV BMS 設備組合以及最具創新性、多功能的系統級解決方案來應對 EV 設計挑戰。

盡管 OEM 采用 wBMS 面臨的挑戰在于規劃對設計、驗證和制造基礎設施的重大投資，但從長遠來看，wBMS 預計將更具成本效益和其他優勢，為提高電池能量密度、改善設計重用和靈活性，并啟用擴展功能。

作者：Timothé Rossignol，Kate O’Riordan，Maurizio Granato，Wei Gu，Brian O’Mara，Guilhem Azzano，Sarven Ipek

審核編輯：郭婷