在現(xiàn)代電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 中，電池管理系統(tǒng) (BMS) 至關(guān)重要，堪稱電池包的 “大腦”，肩負(fù)著確保電池性能優(yōu)良、安全可靠以及延長(zhǎng)使用壽命的重任。BMS 實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)。充電狀態(tài)精準(zhǔn)反映電池可用的剩余能量，而健康狀態(tài)則用于評(píng)估電池電芯的整體狀況以及老化程度。這些指標(biāo)的精確監(jiān)測(cè)，對(duì)于維持高效能源利用、延緩電池過早老化意義重大。

為契合電池效率與環(huán)境可持續(xù)性的法規(guī)要求，汽車制造商必須在車輛的全生命周期內(nèi)，全力維持良好的電池健康狀態(tài)。以加利福尼亞州空氣資源委員會(huì) (California Air Resources Board) 為例，其制定的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)明確

規(guī)定，電汽車在 10 年內(nèi)(2030 年之前款車型為 150,000 英里)，至少要保持 80% 的續(xù)航里程。這一要求自 2026 年款車型起逐步實(shí)施，并在 2031 年款車型之后持續(xù)嚴(yán)格執(zhí)行。全球范圍內(nèi)，類似標(biāo)準(zhǔn)紛紛落地生效，這就迫切需要在 BMS 中運(yùn)用更為先進(jìn)的集成解決方案，以此提升檢測(cè)精度。本文將深入剖析與分立式電阻鏈相比，集成式高壓電阻分壓器如何憑借更精確、更節(jié)省空間的電壓衰減方式，助力 BMS 更好地平衡電池包，有效延長(zhǎng)電池使用壽命。

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的工作電壓與信號(hào)轉(zhuǎn)換需求

典型的電動(dòng)汽車電池電壓通常≥400V，并且行業(yè)正朝著 1kV 甚至更高電壓的方向發(fā)展。更高電壓的電池優(yōu)勢(shì)顯著，它能夠降低最大電流要求，從而最大限度地提高能源利用效率。然而，要測(cè)量如此高的電壓，并將其傳輸給車輛的相關(guān)系統(tǒng)，就需要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。一般來說，ADC 由大約 5V 的電壓供電，無法接受大于該電壓的輸入信號(hào)。

為保護(hù) ADC 和其他低壓元件免受較高電池電壓的沖擊，必須采用隔離式放大器等器件，以維持高壓域和低壓域之間的電氣隔離。盡管隔離式放大器起到連接兩個(gè)電壓域的橋梁作用，但其能接受的電壓范圍與 ADC 類似，因此在信號(hào)到達(dá)隔離放大器之前，需要對(duì)電池電壓進(jìn)行衰減處理。通常情況下，電阻分壓器被用于此環(huán)節(jié)，它能夠?qū)⒏唠妷盒盘?hào)降低至較低電壓的滿量程范圍內(nèi)，滿足后續(xù)電路的處理要求。

傳統(tǒng)分立式電阻鏈的缺點(diǎn)

當(dāng)處理大于 400V 的高電壓時(shí)，爬電距離和電氣間隙是必須重點(diǎn)考慮的因素，以防止出現(xiàn)電弧現(xiàn)象，確保絕緣安全。傳統(tǒng)的電阻分壓器理論上僅需兩個(gè)電阻，但為滿足爬電和間隙要求，高壓衰減往往采用長(zhǎng)鏈電阻器，以此增加高壓和低壓節(jié)點(diǎn)之間的物理距離。依據(jù) IEC 60115 - 8 標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)電阻上的最大持續(xù)壓降存在限制，例如，每個(gè) 1206 外殼尺寸的表面貼裝電阻一般為 200V，每個(gè) 0805 外殼尺寸的電阻為 150V。由于電池實(shí)際電壓會(huì)在額定值上下波動(dòng)，出于安全預(yù)防，往往會(huì)使用較多電阻，通常會(huì)形成 10 個(gè)或更多分立電阻器組成的長(zhǎng)鏈。

這種設(shè)計(jì)方法存在諸多弊端。即便使用精密電阻器，每個(gè)分立式電阻器固有的容差變化，也可能致使分壓比產(chǎn)生顯著差異，進(jìn)而導(dǎo)致電壓測(cè)量不準(zhǔn)確。分立式電阻器還極易受到溫度變化和老化的影響，導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變。而且，這些電阻器兩端的焊接點(diǎn)暴露在外，若無保形涂層或其他防護(hù)措施，極有可能產(chǎn)生額外的泄漏電流以及寄生電容或電感，這無疑會(huì)增加解決方案的成本。在長(zhǎng)鏈分立式電阻器中，上述不良影響會(huì)進(jìn)一步疊加，隨著時(shí)間推移，電壓檢測(cè)精度不斷降低，最終引發(fā)充電狀態(tài)和電池健康狀態(tài)估計(jì)錯(cuò)誤，致使電池管理決策失誤，如充電和放電周期不合理，進(jìn)而縮短電池壽命，降低電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

集成電阻分壓器的優(yōu)勢(shì)

滿足高電壓處理需求

德州儀器 RES60A - Q1 集成電阻分壓器采用精心設(shè)計(jì)的寬體 SOIC 封裝，完全符合國(guó)際電工委員會(huì) 61010 標(biāo)準(zhǔn)所定義的爬電距離和間隙標(biāo)準(zhǔn)，能夠輕松處理高達(dá) 1.7kV 的電壓，充分滿足電動(dòng)汽車高電壓系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

性能和可靠性卓越

該器件在性能和可靠性方面表現(xiàn)突出。通過對(duì)初始比率和超時(shí)容差設(shè)定最大限值，即便面對(duì)老化或溫度變化等環(huán)境因素，也能有效確保分壓比的準(zhǔn)確性。以德州儀器 RES60A - Q1 電阻分壓器為例，其在 10 年使用壽命內(nèi)，規(guī)定了 ±0.2% 的最大壽命比，這種高可靠性對(duì)于對(duì)性能一致性要求嚴(yán)苛的電動(dòng)汽車應(yīng)用而言，至關(guān)重要。

節(jié)省空間與成本

集成電路封裝設(shè)計(jì)巧妙地省去了冗長(zhǎng)的分立式電阻鏈，大幅減小了所需印刷電路板的尺寸。這一整合不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜的電路布局，還降低了與元件數(shù)量相關(guān)的組裝成本。同時(shí)，更少的暴露節(jié)點(diǎn)顯著降低了因漏電或寄生效應(yīng)而產(chǎn)生誤差的可能性，無需額外的保形涂層，進(jìn)一步降低了成本。

差分信號(hào)轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)

具有差分輸出的隔離式放大器備受青睞，因?yàn)椴罘州敵鲈陂L(zhǎng)距離信號(hào)傳輸中表現(xiàn)出色，且出于安全考量，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將低壓元件安置在遠(yuǎn)離高壓源的位置。將這種差分信號(hào)饋入單端 ADC 時(shí)，需要進(jìn)行差分到單端的轉(zhuǎn)換。以往，這需要添加集成差分放大器，或者圍繞放大器配置四個(gè)分立式電阻器來實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在，將集成電阻器(如 RES11A - Q1)與高精度放大器(如 OPA388 - Q1)相結(jié)合，能夠構(gòu)建出具有高共模抑制比的差分放大器，有效降低噪聲干擾，減少其他誤差來源。

在設(shè)計(jì) BMS 的高電壓衰減電路時(shí)，從傳統(tǒng)的分立式電阻鏈向 RES60A - Q1 等集成電阻分壓器解決方案轉(zhuǎn)變，具有不可忽視的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)與 RES11A - Q1 等輔助元件配合使用，進(jìn)行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，這些集成器件能夠協(xié)同工作，幫助電動(dòng)汽車長(zhǎng)期維持良好的電池狀態(tài)，提升電池系統(tǒng)性能，為電動(dòng)汽車的高效、可靠運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障，推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)朝著更優(yōu)質(zhì)、更環(huán)保的方向發(fā)展。