新唐科技模拟前端AFE芯片：高串数AFE产品对于800V以上电池系统响应和安全性的意义
随着中国等主要汽车市场出于长续航和高效快充补能等因素的考量，实际应用倾向于800V，乃至未来1000V大电池平台。同时，大型集装箱储能系统在完善了热管理技术后不断提升电池管理系统电压到1500V平台，甚至更高电压平台。两个锂电池主要应用市场不约而同都出现了高压多串大电池包的应用趋向。
以上的市场需求和应用趋势也带给电池管理系统设计者们带来了如何更好的管理更大电池堆栈或更多串电池的挑战。
这个挑战所带来具体课题是方方面面的。例如，电池管理拓扑不再适用集中式或分布式的简单分类，而是更合适采用以分布式为主，结合集中式优点的混合式拓扑方式等等。由于涉及课题太多，篇幅所限我们今次只选择系统响应速度以及相关的安全性的角度来分享我们的观点。
众所周知，之前由于电池包的实际应用串数和平衡安全性后的性价比的考量，因此目前无论是汽车的400V及以下电池平台，还是800V以下储能系统平台大多以集中式为主，以菊花链通讯作为各CMU（Cell Monitoring Unit）之间的桥梁，最终集中在BCU（Battery Control Unit）做相应电池电芯监测管理。
集中式的优势是拓扑简洁，管理方便，高性价比。然而，在安全性上，尤其是电池失控后的响应上是不如分布式拓扑。分布式也有自身劣势，即系统庞杂，管理层级过多，性价比偏低。那么，是否有方案可以融合二者的强项，弱化两者劣势呢？以20串及以上高串数电池包为基础来构建800V及以上平台，尽量减小通讯风险节点和安全风险节点的同时提升菊花链通讯速率来提升响应速度，最大化集中式的高性价比并部分引入分布式的分级管理。
在以往电池串数不太多时，无疑集中式是更合适的选项。电池失控造成的边际效应可以透过MCU端的电池功能安全链路和大范围诊断来尽可能管控，满足安全性的需求。然而，这套体系随着电池电压平台的阶跃式的快速提升，所管理电池串数的急速增加，不可避免的出现响应速度及安全性上的降低。如果我们不想对系统性价比造成太大影响的同时提升响应速度及相关的安全性，那么就必须尽可能提升集中式架构本身的响应速度，减少分布式分层管理的层数。
依据这个思路，我们再看集中式架构中，影响响应速度的因素以及提升的方向。
首先，电池电芯数量。BMS（Battery Management System）平台电压确定后电池电芯总串数随之固定。只要AFE的采集通道没有浪费太多（空置），总体采集时间也是固定的对响应速度几乎没有影响。如果提高AFE的采集速度，减少采集时间花销，那么是可以提升响应速度。
其次，AFE通讯时间花销。AFE在通讯部分的时间花销主要与电流传播速度，隔离器（变压器/电容）和AFE本身有关。电流在电线里传播的速度，差不多就是光速，因此相对延时忽略不计。现在主流的隔离变压器对信号的延时是纳秒级（nS），几乎不会超过100nS，因此相对延时忽略不计。由此，AFE本身是通讯时间花销也是影响响应的因素之一。如果尽量减少系统内AFE使用的数量，同时提升通讯速度，那么也是可以提升响应速度的。
最后，MCU通讯速度。MCU对外通讯取决于MCU本身的主频及通讯接口等因素。在选型确定后，时间花销也基本被固定了。
由以上简单分析可知，MCU是固定时间花销，隔离器纳秒级延时的改善不显著，而AFE在时间花销上的改善却可以大大提升系统响应及相关的安全性。
在系统响应改善措施中，较少AFE使用数量会带来最显著改善效果，其次是AFE菊花链通讯速度和安全性提升，最后是菊花链相关隔离器、线束等。
江南app公众号 最新推出业界最高25串的第四代电池监控芯片系列产品。这个系列是一组套片，它包含了电池电芯监控芯片（BM-IC），电池包监控芯片（PM-IC）和隔离通讯芯片（COM-IC）三个部分。下图为简要的BMS系统架构和对应产品型号。相关产品特性请访问新唐科技网站查询。
新唐科技BMIC最高单芯片可以管理25串电池电芯，因此以800V电池系统平台为例，AFE的使用数量会减少35 ~ 45%，同时新唐科技AFE产品内部集成了全温采集精度可达到1.5mV并同时有高达20us/ch转化速率的高精度ADC。AFE数量减少35 ~ 45%和采集速度的提升，就意味着系统响应速度也会有相应的提升。再考虑到系统失效率与器件失效率的联动关系，AFE的减少意味着系统安全节点随之减少，系统失效风险也随之降低。同时，随着AFE使用数量的减少，以AFE为核心的BOM成本也随时减少 ，性价比得到了提升。
其次，新唐科技BMIC内置的菊花链通讯，最高通讯速度可达4MHz。相较于目前市场主流应用的2.5MHz通讯速度提升了约60%。
最后，新唐科技在历代电池监控系列产品中一以贯之的高安全性设计理念和技术，如SOI（Silicon On Insulation）高压工艺、完全冗余设计、双向菊花链等，也继续被应用在最新的第四代电池监控芯片中。相关工艺和技术大大提升了AFE产品和系统的鲁棒性，在有效提升系统响应的同时提升了安全性。
综上所述，高串数AFE产品是目前平衡800V汽车电池或1500V集装箱储能电池平台在安全性、系统响应和性价比三方面比较合适的选择。新唐科技是目前业界提供超过20串AFE产品并同时拥有超过10年市场实际应用经验的唯一厂商。
新唐科技也期待与业界相关客户深度合作，共同提供安全、稳定、高性价比的电池产品。欢迎大家访问新唐科技相关网站或江南app公众号 做进一步咨询。
编辑：admin 最后修改时间：2024-10-17
