摘要 - 聊到电池管理系统集成电路（BMS IC）对抗电磁干扰（EMI）的能力，咱们得说说印刷电路板（PCB）走线和外部组件（ECs）的布局，这俩可是关键角色。别忘了，BMS IC本身的阻抗也是个大事儿。实际上，这种阻抗会因为BMS IC的电池平衡功能而发生很大的变化。具体来说，大多数市面上的BMS IC都集成了被动电池平衡功能，这个功能会大大减少BMS IC呈现的阻抗。我们这项研究的目的就是想弄明白不同的被动电池平衡方法对BMS IC的免疫力水平有啥影响。然后，我们还提出了一种新的BMS IC架构，这种架构不仅能减少外部组件的数量，还能让被动电池平衡对IC的免疫力产生最大影响，也就是说，在直接功率注入（DPI）测试中的注入水平。这样一来，即使在嘈杂的环境中，IC也能保持高精度的高电压测量。
1.简介
锂离子（Li - Ion）电池和电池管理系统（BMS）一直是广泛研究的对象，旨在为新一代电动汽车（EV）和混合动力电动汽车（HEV）铺平道路。例如，开发的一个主要方面是对来自驱动逆变器的传导电磁干扰（EMI）进行表征，该驱动逆变器是可能对BMS IC造成干扰的噪声源之一。在这个噪声路径中，电缆、PCB走线和外部元件（ECs）对BMS IC的抗扰度有很大影响。这里关注的ECs是用于防止静电放电（ESD）的汽车高压额定电容器。如先前工作所示，这些ECs的最便宜配置是跨电池的差分连接。然而，这会由于在直接功率注入（DPI）频率范围（[150kHz; 1GHz]）内引入共振而导致注入水平增加，共振是由构建的C - L梯形网络引起的。 在这种情况下，被动电池均衡在激活时，会将电池均衡电阻以及一些寄生元件与ESD电容器并联，这可能会改变这些共振的衰减水平。本研究考虑了两种电池均衡方法。第一种方法是将BMS IC当前正在测量的电池除外，短路所有可以短路的电池，然后提取测量电池在DPI期间的注入水平，以评估这种方法对IC抗扰度的影响。此外，本研究比较了采用这种第一种均衡方法的两种架构，它们之间的主要区别在于可以同时平衡的电池数量。第二种均衡方法是在专门提出的架构中，短路当前由IC测量的同一电池。此外，由于平衡电阻的新放置，所提出的架构将ESD电容器变成了一个滤波器，这使得平衡能够大幅降低BMS侧看到的阻抗，从而降低注入水平。另外，为了评估寄生电感的影响，还评估了ESD电容器与IC之间不同距离时电池均衡的影响。 最后，本文的结构如下：首先介绍BMS IC环境的建模；其次，使用第一种电池均衡方法，比较两种BMS IC架构在DPI期间均衡对注入水平的影响；第三，介绍所提出的架构，并使用第二种均衡方法评估其在DPI期间对注入水平的均衡影响。2.BMS集成电路环境建模
BMS功能与DPI测试：BMS的主要目的是确保电池在恶劣电磁干扰（EMI）环境下的最佳和安全运行。BMS IC的一些主要功能包括精确测量电池电压和进行被动电池均衡，以防止电池退化并实现从电池组中提取最佳功率。为了表征IC在恶劣EMI环境中执行这些任务的能力，进行直接功率注入（DPI）测试，将30dBm功率以共模（CM）方式耦合到连接电池的所有IC输入上。DPI测试设置与相关元件：图1展示了本研究中使用的DPI设置，采用可监测多达18个电池的BMS IC产品。该设置中引入超级电容器，以便使用12V电池构建电压高于80V的电池组，并稳定电池组侧的阻抗。从图1可知，当前建模方法中关注的元素包括电池包和PCB两侧各30cm的电缆、超级电容器、连接器、超级电容器板和BMS IC板上的PCB走线、BMS IC板上的外部元件（ECs）以及BMS本身呈现的阻抗。![]()
图1.BMS DPI测试台。
BMS IC环境建模：从图2来看，BMS IC输入由代表内部被动电池均衡开关的电容C_{L}（30pF）建模，开关导通电阻Ron=0.25Ω。用于ESD目的的电容C_{d}（47nF）是关注的ECs，其采用最便宜的配置，模型中还包括C_{d}的寄生电阻和电感（寄生电阻R_{d}在100MHz及以上频率取值），同时考虑注入电容C_{i}（330pF）的寄生行为。由于存在相对较高值的电容C_{d}，电缆和PCB走线的电容效应未被考虑。电池用理想电压源建模，因为电池组和电缆被超级电容器短路。图2中18个电池的所有参数相似，忽略了每个电池到IC引脚距离的不匹配，该模型在[150kHz,200MHz]范围内有效。![]()
图2.DPI测试期间BMS IC架构1及其环境的建模。
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表1.DPI期间BMS IC环境模型的参数。
IC引脚与架构相关情况：架构1中有用于电池电压测量和被动电池均衡的C_{Bx}引脚，以及仅用于电池冗余电压测量的C_{Tx}引脚。通过C_{Tx}引脚的测量由离散时间模数转换器（DT ADC）执行，因此需要抗混叠滤波器（AAF，即R_{f}和C_{f}）；而通过C_{Bx}引脚的测量由连续时间模数转换器（CT ADC）执行，无需AAF。下一节将介绍架构2以及本研究中使用的第一种均衡方法，以提高BMS IC的抗扰度，还将比较架构1和架构2在第一种被动电池均衡方法带来的注入水平衰减方面的情况。此外，本研究中假设电池均衡激活持续几百微秒，足以对感兴趣的电池进行电压测量，因此不会对平衡电池的荷电状态产生重大影响。3.BMS IC架构差异、共振问题及第一种均衡方法影响
架构差异与共振现象：BMS IC的引脚排列、使用的模数转换器（ADC）数量和类型等架构方面直接影响外部元件。在架构1（图2）中，除C_{B0}和C_{B19}外，每个C_{Bx}引脚由两个电池共享，由于在DPI测试中需要在通向C_{Bx}引脚的每条PCB走线上设置R_{b}以限制共模（CM）到差模（DM）转换，所以相邻电池不能同时平衡，奇数和偶数电池需在不同周期平衡。而架构2（图3）有额外的C_{Bx\_H}引脚，可同时平衡相邻电池，但会增加芯片尺寸、引脚数量和外部元件（R_{b}）。由L_{T}（L_{u}+L_{0}+L_{a}）和C_{d}构成的C - L梯形网络会产生多个共振，这些共振频率相对较低（低于10MHz），在实际应用中，连接BMS IC和电池包的电缆可达2米，会使共振频率更低、品质因数更高，R_{T}（R_{u}+R_{0}+R_{a}）虽能一定程度衰减共振，但效果不足。![]()
图3.DPI测试期间BMS IC架构2及其环境的建模。
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图4.架构1和架构2的第一种平衡方法。
第一种均衡方法及对注入水平的影响：本研究考虑的第一种均衡方法是在DPI模拟中提取第一个电池（C_{L1}）的峰 - 峰电压，同时平衡其他电池。对于架构1，仅平衡奇数电池（除电池1），因为平衡偶数电池（从电池2开始）会改变电池1的直流（DC），不符合实际测量场景。对于架构2，除对电池1外所有电池都可平衡。通过在spice环境中进行瞬态模拟（给予信号足够周期稳定、提取特定周期平均峰 - 峰电压、在[150kHz; 200MHz]范围取足够点数）来评估。结果显示，被动电池均衡在低频下如预期降低了共振幅度，但高频（约150MHz）下注入水平增加。架构2在低频下电池均衡对注入水平影响更大，因为能同时平衡更多电池，引入更多阻尼；高频下其固有注入水平低于架构1，激活电池均衡后高频仅有轻微改善。此外，电池均衡电阻$R_{b}$的值对注入水平影响存在权衡，降低R_{b}会增强低频共振衰减但削弱高频共振衰减，增加R_{b}则反之。![]()
图5.第一种电池平衡方法对Rb=11Ω的架构1和架构2在DPI期间的注入水平有影响。（a）架构1；（b） 架构2
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图6.在DPI过程中，电池平衡对结构2和不同Rb值的注入水平的影响。
4.第二种均衡方法分析与新架构提出
分析理想场景与改进策略：为评估电池均衡对低频共振的影响，分析一个理想且简化的场景（类似架构1但有简化）。在低于5MHz时，超级电容器因高电容值（10F）及其寄生参数（等效串联电阻ESR、等效串联电感ESL）在该范围较低而可视为短路；考虑低频共振时，C_{L}可忽略；采用简单无外部负载的梯形网络便于分析。对于该场景下的总阻抗（公式1），通过特定表达式计算共振频率（公式2），发现给定参数下公式2判别式为负，有两个虚根，实部反映共振衰减（伪周期状态，公式3）。对于图7b的电池均衡简化实施场景，计算共振的多项式（公式4），发现尽可能降低电阻R可使更多共振指数的判别式为正，大幅衰减共振频率，但部分共振仍为伪周期状态，其衰减因子（公式5）表明若R足够低，电池均衡可显著影响注入水平，虽可通过增加电阻提高R_{T}，但对架构1和2不可行，因其会降低电池平衡时C_{Tx}引脚测量精度。![]()
图7.考虑了分析电池平衡对注射水平影响的情景。（a） 没有平衡；（b） 平衡。
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提出新架构与性能评估：提出新架构，在该架构中，C_{Tx}引脚测量改用连续时间模数转换器（CT ADC），无需抗混叠滤波器（AAF，即R_{f}和C_{f}），C_{Bx}引脚测量改用离散时间模数转换器（DT ADC），平衡电阻R_{b}移至ESD电容C_{d}之前，既节省元件又增强低频共振衰减，且为防止电池平衡时测量误差，C_{Tx}测量在R_{b}之前进行。第二种均衡方法平衡正在测量的电池（如cell x，图8）以降低C_{Tx}引脚注入水平，新架构通过将R_{b}置于C_{d}之前并使C_{d}靠近IC，使电池均衡对DPI注入水平影响最大化。模拟结果显示，新架构在不激活电池均衡时固有注入水平低于旧架构（图5），当C_{d}置于距IC合理距离（0.5cm或1cm）时可获得显著衰减（图9）。然而，新架构存在ESD性能权衡，在架构1和2中ESD事件发生时C_{d}为引脚提供低阻抗接地路径，而新架构中R_{b}会使C_{Tx}引脚面临高电压风险，R_{b}需选择合适值，或在C_{Tx}上放置内部钳位装置来缓解，未来工作将重点改进新架构的ESD性能。![]()
图8.建议的BMS IC架构，旨在最大限度地提高电池平衡对注入水平的影响。
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图9.在所提出的架构和不同的L2值下，第二种平衡方法对DPI期间注入水平的影响。
5.总结
本研究提出了用于实际直接功率注入（DPI）模拟的电池管理系统集成电路（BMS IC）模型，提出第一种电池均衡方法以降低DPI期间的注入水平，并比较了两种架构在该方法下的表现。通过建立简单分析模型，探究电池均衡对低频共振衰减水平的影响，确定降低低频重要噪声耦合的策略。提出新架构，减少外部元件数量和注入水平，使电池均衡对IC抗扰度产生更重要影响。新架构存在与静电放电（ESD）性能相关的权衡。未来工作将着重评估新架构的ESD性能，并在不过度增加外部元件数量的前提下，探寻可能的改进措施，以优化新架构的整体性能，使其更好地应用于实际的电池管理系统中，提高系统在电磁兼容性方面的表现，保障电池管理系统在复杂电磁环境下的稳定运行，同时兼顾成本和性能的平衡。
