在現(xiàn)代電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)中，電池管理系統(tǒng)(BMS)堪稱電池組的核心大腦，其承擔(dān)著確保電池性能優(yōu)良、運行安全以及壽命長久的重任。BMS 對諸多關(guān)鍵參數(shù)，如充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤。SOC 清晰地反映出電池內(nèi)可用能量的情況，而 SOH 則用于全面評估電池單元的整體狀況以及老化程度。通過密切監(jiān)控這些關(guān)鍵指標(biāo)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能源利用，還能有效預(yù)防電池過早出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

為契合電池效率和環(huán)境可持續(xù)性方面的法規(guī)要求，汽車制造商必須全力以赴，在車輛的整個生命周期內(nèi)維持較高水平的電池健康狀態(tài)。舉例來說，加州空氣資源委員會制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定到 2030 年車型年，電動汽車務(wù)必在 10 年時間或者行駛 150,000 英里的里程內(nèi)，至少保持 80% 的電動續(xù)航里程。類似的標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)紛紛生效實施，這就迫切要求在 BMS 中采用更高的電池電壓以及更為先進(jìn)的傳感技術(shù)，以此來提升檢測精度。本文將深入探討與分立電阻鏈相比，集成高壓電阻分壓器如何提供一種更精確且更節(jié)省空間的電壓衰減方法，進(jìn)而助力 BMS 更好地平衡電池包并延長其使用壽命。

電動汽車電池系統(tǒng)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

典型的電動汽車電池電壓通常大于等于 400V，并且當(dāng)前行業(yè)正朝著 1kV 甚至更高電壓的方向發(fā)展。這一趨勢背后的主要原因在于，輸出功率更大的 EV 電池充電器能夠顯著加快車輛的充電速度，因為功率(P)等于電流(I)與電壓(V)的乘積，即 P = IV。為達(dá)到特定的充電速度，可利用這一電壓 / 電流關(guān)系，通過提升電壓，在保持電流值最小化或者維持平穩(wěn)的同時，依舊能夠提供所需的功率。在 EV 設(shè)計中，將電流值降至最低具有重要意義，因為熱量會對電池和電子元件的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響，而電流增加會導(dǎo)致電動動力總成內(nèi)的散熱大幅增加。此外，電流的減少使得使用更輕規(guī)格的電線成為可能，這不僅減輕了整體線束的重量，還能讓車輛在相同電量下行駛更遠(yuǎn)的距離。

直接對電池電壓進(jìn)行測量，并將其傳輸至相關(guān)的數(shù)字車輛系統(tǒng)時，需要借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，而 ADC 一般由 5V 左右的電壓供電。由于輸入信號若超過 5V 極有可能損壞 ADC，因此，為保護(hù) ADC 和其他低壓元件免受電池相對較高電壓的影響，必須使用諸如隔離式放大器等器件，在高壓域和低壓域之間構(gòu)建起一道安全屏障。盡管隔離式放大器能夠在兩個電壓域之間起到連接作用，但它所能接受的電壓范圍與 ADC 相近，所以在信號到達(dá)隔離式放大器之前，需要先對電池電壓進(jìn)行衰減處理。通常情況下，會采用電阻分壓器來實現(xiàn)這一目的，將高壓信號降低至較低電壓的滿量程范圍之內(nèi)。

當(dāng)處理大于 400V 的電壓時，爬電距離和電氣間隙成為必須重點考慮的因素，以避免出現(xiàn)電弧現(xiàn)象，并確保實現(xiàn)安全絕緣。雖然傳統(tǒng)的電阻分壓器僅需兩個電阻，但在涉及爬電距離和電氣間隙的高壓衰減應(yīng)用中，通常會采用長電阻鏈的形式，以此來增加高壓節(jié)點和低壓節(jié)點之間的物理距離。根據(jù)國際電工委員會(IEC)60115 - 8 的規(guī)定，每個電阻器的最大持續(xù)壓降是有限的。一般而言，每個 1206 外殼尺寸的表面貼裝電阻器為 200V，每個 0805 外殼尺寸的電阻器為 150V。鑒于電池電壓在高于或低于其額定值時均會發(fā)生變化，為確保安全，往往會使用過多的電阻器，這通常會導(dǎo)致形成由 10 個或更多分立電阻器組成的電阻鏈。

即便使用精密電阻器，每個分立電阻器固有的容差變化仍可能致使分壓比出現(xiàn)顯著差異，最終造成電壓測量不準(zhǔn)確。而且，這些電阻器兩端的焊接點處于暴露狀態(tài)，這可能會引發(fā)額外的泄漏以及寄生電容或電感等問題，除非采取保形涂層或其他保護(hù)措施，但這樣又會增加解決方案的成本。在長鏈分立電阻器中，上述這些不利影響會進(jìn)一步加劇，隨著時間的推移，會進(jìn)一步降低電壓檢測的精度。這極有可能導(dǎo)致 SOC 和 SOH 的估計出現(xiàn)錯誤，進(jìn)而引發(fā)欠佳的電池管理決策，比如不正確的充電和放電周期，最終結(jié)果便是縮短電池壽命，并削弱電動汽車的續(xù)航里程。

集成電阻分壓器的工作原理與優(yōu)勢

利用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，能夠在標(biāo)準(zhǔn)硅襯底晶圓上構(gòu)建起薄膜硅鉻電阻層。該電阻層由二氧化硅絕緣層封裝保護(hù)，可在超過 1kV 的極高電壓環(huán)境下正常使用。將此晶圓的單個部分(即晶片)封裝到標(biāo)準(zhǔn)塑料集成電路(IC)外殼中，能夠有效保護(hù)晶片免受外部應(yīng)力的影響。由于爬電距離和間隙是在引腳之間的間隙上進(jìn)行測量的，所以制造商可依據(jù)設(shè)計規(guī)格，將類似尺寸的芯片封裝到更小的封裝中，以提升產(chǎn)品性能;或者封裝到更大的封裝中，來增加引腳之間的距離。

這種設(shè)計方法在性能和可靠性方面展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。因為每個晶圓部分(即芯片)的相對電阻能夠?qū)崿F(xiàn)非常緊密的匹配，通過對初始比率以及隨時間變化的容差指定最大限值，有助于確保分壓比始終保持準(zhǔn)確，即便受到老化或者環(huán)境變化(例如溫度變化)等因素的影響，也能維持穩(wěn)定。以德州儀器(TI)的 RES60A - Q1 電阻分壓器為例，它在 10 年使用壽命內(nèi)規(guī)定了 ±0.2% 的最大壽命比，這種高可靠性對于那些對性能一致性要求較高的應(yīng)用而言，具有至關(guān)重要的意義。

IC 封裝設(shè)計摒棄了冗長的分立電阻器鏈，從而大幅減少了所需的印刷電路板占用空間。這種高度集成不僅極大地簡化了電路布局，還顯著降低了與元件數(shù)量相關(guān)的組裝成本。同時，更少的暴露節(jié)點降低了因泄漏或寄生效應(yīng)而出錯的可能性，并且無需使用保形涂層，這在一定程度上也降低了成本。

具有差分輸出的隔離式放大器，如德州儀器的 AMC1311B - Q1，因其差分輸出在長距離傳輸信號時能夠很好地保持性能，且出于安全考慮，設(shè)計人員通常會將低壓元件放置在遠(yuǎn)離高壓源的位置，所以這類放大器在實際應(yīng)用中頗受歡迎。若要將此信號饋入單端 ADC，則需要通過添加集成差動放大器，或者圍繞放大器配置四個分立電阻器作為兩個電阻分壓器，來實現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換。由同一芯片上的兩個電阻分壓器組成的集成電阻網(wǎng)絡(luò)同樣可以安裝在塑料 IC 封裝中，這不僅提供了應(yīng)力保護(hù)，還能確保兩個分頻器之間的比率具有嚴(yán)格的公差。當(dāng)與高精度放大器配合使用時，具有匹配比率的分頻器能夠產(chǎn)生具有極高共模抑制比的差動放大器，這對于降低噪聲和減少其他誤差具有顯著作用。

集成電阻分壓器提升電池系統(tǒng)性能的具體體現(xiàn)

在為 BMS 設(shè)計高壓衰減電路時，從傳統(tǒng)的分立電阻鏈過渡到采用集成電阻分壓器等集成解決方案，具有眾多不可忽視的優(yōu)勢。當(dāng)與用于差分信號轉(zhuǎn)換的互補(bǔ)集成組件，如 RES11A - Q1 等結(jié)合使用時，這些集成器件能夠助力實現(xiàn)具有更高電壓的電動動力系統(tǒng)，并且能夠提供更為準(zhǔn)確的 SOC 和 SOH 讀數(shù)。最終的結(jié)果便是使 EV 能夠在較長時間內(nèi)保持良好的電池健康狀態(tài)，從而顯著提升電動汽車的整體性能和用戶體驗。

例如，在一些實際應(yīng)用場景中，采用集成電阻分壓器的電動汽車電池系統(tǒng)，在經(jīng)過長時間的使用后，依然能夠保持較高的電池容量保持率。通過精確的電壓檢測和 SOC、SOH 估算，BMS 能夠更加合理地控制電池的充放電過程，避免過度充電或過度放電等對電池造成損害的情況發(fā)生。這不僅延長了電池的使用壽命，減少了電池更換的頻率和成本，還有效提升了電動汽車的續(xù)航里程穩(wěn)定性，增強(qiáng)了用戶對電動汽車的信心。

此外，集成電阻分壓器的應(yīng)用還為電動汽車電池系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新提供了更廣闊的空間。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，未來可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步集成更多的功能模塊，實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的全方位、智能化管理，推動電動汽車技術(shù)朝著更加高效、可靠、安全的方向持續(xù)發(fā)展。

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