新唐科技模擬前端AFE芯片：高串數(shù)AFE產(chǎn)品對于800V以上電池系統(tǒng)響應和安全性的意義
隨著中國等主要汽車市場出于長續(xù)航和高效快充補能等因素的考量，實際應用傾向于800V，乃至未來1000V大電池平臺。同時，大型集裝箱儲能系統(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，甚至更高電壓平臺。兩個鋰電池主要應用市場不約而同都出現(xiàn)了高壓多串大電池包的應用趨向。
以上的市場需求和應用趨勢也帶給電池管理系統(tǒng)設計者們帶來了如何更好的管理更大電池堆棧或更多串電池的挑戰(zhàn)。
這個挑戰(zhàn)所帶來具體課題是方方面面的。例如，電池管理拓撲不再適用集中式或分布式的簡單分類，而是更合適采用以分布式為主，結(jié)合集中式優(yōu)點的混合式拓撲方式等等。由于涉及課題太多，篇幅所限我們今次只選擇系統(tǒng)響應速度以及相關(guān)的安全性的角度來分享我們的觀點。
眾所周知，之前由于電池包的實際應用串數(shù)和平衡安全性后的性價比的考量，因此目前無論是汽車的400V及以下電池平臺，還是800V以下儲能系統(tǒng)平臺大多以集中式為主，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）做相應電池電芯監(jiān)測管理。
集中式的優(yōu)勢是拓撲簡潔，管理方便，高性價比。然而，在安全性上，尤其是電池失控后的響應上是不如分布式拓撲。分布式也有自身劣勢，即系統(tǒng)龐雜，管理層級過多，性價比偏低。那么，是否有方案可以融合二者的強項，弱化兩者劣勢呢？以20串及以上高串數(shù)電池包為基礎(chǔ)來構(gòu)建800V及以上平臺，盡量減小通訊風險節(jié)點和安全風險節(jié)點的同時提升菊花鏈通訊速率來提升響應速度，最大化集中式的高性價比并部分引入分布式的分級管理。
在以往電池串數(shù)不太多時，無疑集中式是更合適的選項。電池失控造成的邊際效應可以透過MCU端的電池功能安全鏈路和大范圍診斷來盡可能管控，滿足安全性的需求。然而，這套體系隨著電池電壓平臺的階躍式的快速提升，所管理電池串數(shù)的急速增加，不可避免的出現(xiàn)響應速度及安全性上的降低。如果我們不想對系統(tǒng)性價比造成太大影響的同時提升響應速度及相關(guān)的安全性，那么就必須盡可能提升集中式架構(gòu)本身的響應速度，減少分布式分層管理的層數(shù)。
依據(jù)這個思路，我們再看集中式架構(gòu)中，影響響應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）平臺電壓確定后電池電芯總串數(shù)隨之固定。只要AFE的采集通道沒有浪費太多（空置），總體采集時間也是固定的對響應速度幾乎沒有影響。如果提高AFE的采集速度，減少采集時間花銷，那么是可以提升響應速度。
其次，AFE通訊時間花銷。AFE在通訊部分的時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，因此相對延時忽略不計，F(xiàn)在主流的隔離變壓器對信號的延時是納秒級（nS），幾乎不會超過100nS，因此相對延時忽略不計。由此，AFE本身是通訊時間花銷也是影響響應的因素之一。如果盡量減少系統(tǒng)內(nèi)AFE使用的數(shù)量，同時提升通訊速度，那么也是可以提升響應速度的。
最后，MCU通訊速度。MCU對外通訊取決于MCU本身的主頻及通訊接口等因素。在選型確定后，時間花銷也基本被固定了。
由以上簡單分析可知，MCU是固定時間花銷，隔離器納秒級延時的改善不顯著，而AFE在時間花銷上的改善卻可以大大提升系統(tǒng)響應及相關(guān)的安全性。
在系統(tǒng)響應改善措施中，較少AFE使用數(shù)量會帶來最顯著改善效果，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）三個部分。下圖為簡要的BMS系統(tǒng)架構(gòu)和對應產(chǎn)品型號。相關(guān)產(chǎn)品特性請訪問新唐科技網(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)平臺為例，AFE的使用數(shù)量會減少35 ~ 45%，同時新唐科技AFE產(chǎn)品內(nèi)部集成了全溫采集精度可達到1.5mV并同時有高達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)響應速度也會有相應的提升。再考慮到系統(tǒng)失效率與器件失效率的聯(lián)動關(guān)系，AFE的減少意味著系統(tǒng)安全節(jié)點隨之減少，系統(tǒng)失效風險也隨之降低。同時，隨著AFE使用數(shù)量的減少，以AFE為核心的BOM成本也隨時減少 ，性價比得到了提升。
其次，新唐科技BMIC內(nèi)置的菊花鏈通訊，最高通訊速度可達4MHz。相較于目前市場主流應用的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計理念和技術(shù)，如SOI（Silicon On Insulation）高壓工藝、完全冗余設計、雙向菊花鏈等，也繼續(xù)被應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)響應的同時提升了安全性。
綜上所述，高串數(shù)AFE產(chǎn)品是目前平衡800V汽車電池或1500V集裝箱儲能電池平臺在安全性、系統(tǒng)響應和性價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20串AFE產(chǎn)品并同時擁有超過10年市場實際應用經(jīng)驗的唯一廠商。
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、高性價比的電池產(chǎn)品。歡迎大家訪問新唐科技相關(guān)網(wǎng)站或新唐代理商做進一步咨詢。
編輯：admin 最后修改時間：2024-10-17
