AFE(analog front end),中文是模擬前端,在BMS裡面專指電池採樣晶元,用來採集電芯電壓和溫度等。

寫這個之前,想了比較久,AFE這一塊實在是能寫的地方太多了,某一個小地方都可以扯上一陣;最後還是決定從一個問題切入,中間順帶介紹一點AFE相關東西,這樣內容就不至於顯得太生硬和教條化。

這個問題就是:如何選擇一款合適的AFE?

AFE在BMS裡面的位置(圖片來源於TI官網)

按照正常的思維邏輯,當然是對我們的輸入需求進行分析,然後再做出選擇;實際呢,上面這句話只有一半是對的,因為可供我們選擇的AFE不多,所有的需求都要向現實妥協;就像一個大廚,可以做出滿足顧客需求的各類風味,但手裡卻只有豆腐這一種食材,怎麼都有些捉襟見肘。

上圖是ADI的LTC6813的內部功能框圖,目前市面上可以接觸到的AFE內部結構大同小異,不同點更多是集中在硬體資源方面;還有的話就是針對功能安全要求所設計的架構形式。簡單來講,最主要的不同點是採樣通道數量、內部ADC的數量、類型與架構(關於ADC這一塊,後面可以單獨拿出來討論)。

我們獲得的外部輸入需要主要來源於兩部分:國內外標準以及客戶的需求。兩個部分之間一定這就需要我們自己去分辨了,好消息是,一般客戶的需求會比標準要嚴格。

BMS可以參考的主要標準是QC/T 897-2011,由於更新的版本暫時還沒出來,先拿這個來講;裡面針對AFE最主要的要求就是採集精度(如下圖),這個是我們的底線;標準裡面指標要求不是很嚴格,而且測試條件寫的很模糊,最新的討論稿要好很多。關於AFE的電壓採集精度的測量與驗證,看起來簡單,但怎麼實現一個精準的電壓參考源,尤其在EMC測試中,是一個值得討論的問題。

來自客戶的需求就比較多了,其中影響AFE選擇的主要就是電池模組的配置。例如,最小的一個Module是幾串幾並的?一共有多少個模組?再就是一些細節的要求,如採樣精度,溫度點數量,功能安全需求等。

現實應用中,對於並聯在一起的電芯,我們是當做同一個電芯去採樣的;進一步的,電芯基本都是先並後串,用以減少對採樣通道的需求;但讓我們頭疼的事情是,一個Module裡面串聯的電芯數量不是固定的,再就是電芯的總串聯數量也不統一。這樣的話就需要我們去匹配每一種模組的電芯數量,更不幸的是,AFE的最大電壓通道數量是不連續的分布(主要分為3個檔次:6s左右、12s左右和18s左右),這樣就要仔細選擇合適的通道數量進行匹配,做到既不浪費也不勉強。所以尤其對於第三方獨立的BMS廠家來說,因為本身的話語權有限,夾在主機廠和電芯廠之間,想做出一個平台版本的產品是比較困難的。

圖片來源https://book.liionbms.com

而且還會涉及到一種比較特殊的場景,就是AFE跨接模組進行採樣(如下圖)。簡單說就是把銅排上面的壓降一起採回來;我們可能用一個獨立的通道去採集,或者把它和電芯放在一起去採集。無論哪種方式,都會涉及到一種負壓的採樣問題,這就需要AFE的採樣通道可以承受負壓,目前來看,能做到的廠家不多,很多廠家的產品都在朝這個方向演進。

除了採樣精度外,容易被我們忽略的就是AFE的溫度採樣通道數量。推薦的溫度通道與電壓通道數量比是1:2,不要再小了,因為可能會造成溫度通道數量不夠用。除了採集外部的NTC,板內還可能會有一些模擬信號,所以,溫度採樣通道是比較緊張的資源。

目前可供我們選擇的車規AFE資源是有一些的(如下表),可能有些信息不太準確,有些還處於樣片階段,僅供參考。裡面把美國和非美國的器件分了類,其實NXP和瑞薩與美國的關係也比較密切,有些說不清。國內的AFE起步有點晚,可以看到實際上車的幾乎沒有。

前面走馬觀花地介紹了選擇AFE的幾個主要依據,其實如果公司的平台已經建立好,就很難選型新的AFE,只在老的平台上反覆演進。把成熟的電路拿過來直接用,對工程師來講,是好事也是壞事,從長遠看,最好要經歷過從0到1的過程。

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