新唐科技模擬前端AFE芯片：高串數AFE產品對于800V以上電池系統響應和安全性的意義
隨著中國等主要汽車市場出于長續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在完善了熱管理技術后不斷提升電池管理系統電壓到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。
這個挑戰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，結合集中式優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響應速度以及相關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）做相應電池電芯監測管理。
集中式的優勢是拓撲簡潔，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串及以上高串數電池包為基礎來構建800V及以上平臺，盡量減小通訊風險節點和安全風險節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，所管理電池串數的急速增加，不可避免的出現響應速度及安全性上的降低。如果我們不想對系統性價比造成太大影響的同時提升響應速度及相關的安全性，那么就必須盡可能提升集中式架構本身的響應速度，減少分布式分層管理的層數。
依據這個思路，我們再看集中式架構中，影響響應速度的因素以及提升的方向。
首先，電池電芯數量。BMS（Battery Management System）平臺電壓確定后電池電芯總串數隨之固定。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。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。現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。如果盡量減少系統內AFE使用的數量，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響應及相關的安全性。
在系統響應改善措施中，較少AFE使用數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，最后是菊花鏈相關隔離器、線束等。
新唐科技最新推出業界最高25串的第四代電池監控芯片系列產品。這個系列是一組套片，它包含了電池電芯監控芯片（BM-IC），電池包監控芯片（PM-IC）和隔離通訊芯片（COM-IC）三個部分。下圖為簡要的BMS系統架構和對應產品型號。相關產品特性請訪問新唐科技網站查詢。
新唐科技BMIC最高單芯片可以管理25串電池電芯，因此以800V電池系統平臺為例，AFE的使用數量會減少35 ~ 45%，同時新唐科技AFE產品內部集成了全溫采集精度可達到1.5mV并同時有高達20us/ch轉化速率的高精度ADC。AFE數量減少35 ~ 45%和采集速度的提升，就意味著系統響應速度也會有相應的提升。再考慮到系統失效率與器件失效率的聯動關系，AFE的減少意味著系統安全節點隨之減少，系統失效風險也隨之降低。同時，隨著AFE使用數量的減少，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控系列產品中一以貫之的高安全性設計理念和技術，如SOI（Silicon On Insulation）高壓工藝、完全冗余設計、雙向菊花鏈等，也繼續被應用在最新的第四代電池監控芯片中。相關工藝和技術大大提升了AFE產品和系統的魯棒性，在有效提升系統響應的同時提升了安全性。
綜上所述，高串數AFE產品是目前平衡800V汽車電池或1500V集裝箱儲能電池平臺在安全性、系統響應和性價比三方面比較合適的選擇。新唐科技是目前業界提供超過20串AFE產品并同時擁有超過10年市場實際應用經驗的唯一廠商。
新唐科技也期待與業界相關客戶深度合作，共同提供安全、穩定、高性價比的電池產品。歡迎大家訪問新唐科技相關網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
