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ADI的电动汽车BMS和智能座舱汽车音频总线解决方案

2021-07-31
来源: 电子产品世界

  1   电动汽车BMS

  车用动力电池安全性是一个很复杂的课题,通过BMS实时监测并分析电池运行的温度,电压和电流等关键数据的变化,进行提前预警已经是提高电池安全的主要解决方案之一,获得业界共识。

  此外,精确监控电流和电压分布至关重要,精度越高,就越能更好地了解电池单元的状态,从中获取的容量就越多,电池组的运行也就越可靠。电池管理系统的质量直接影响 EV 每次充电所能行驶的里程数,电池过度充电可能会引起火灾或爆炸,而充电不足(或完全放电)则会导致电池失效。考虑到电池组占汽车总成本近40%,BMS 性能的价值是显而易见的,且随着汽车设计师考虑保修和电池组的生命周期成本,这一点也就更加明显。

  ADI BMS产品最大的强项就在于锂电池的电池管理精度,未来的BMS产品将全面支持电池热失控预警的中国国家标准。无论面对什么环境,这些极高精度的产品都能把精度控制在非常小的波动范围内,且可以保持十年不变。这就能让车厂以及电池供应商能够大胆使用它的电池容量,而不会因为精度不够而限制性能,从而达到同样电池,同样容量条件下提高整车续航里程的目的。

  例如ADBMS6815是一款多单元电池堆监控器,可测量多达12个串联电池单元,总测量误差(TME)小于1.5 mV。ADBMS6815具有(0~5)V的电池测量范围,适合大多数电池化学应用。可在304 μs内测量所有12个电池单元,并选择较低的数据采集速率以便降噪。为同时监测很长的高压电池串,可将多个ADBMS6815器件串联。每个ADBMS6815都有一个isoSPI?接口,用于进行不受RF干扰的远距离高速通信。多个器件以菊花链形式连接,并为所有器件连接一个主机处理器。该菊花链可双向操作,即使通信路径出错,也能确保通信完整性。

  BMS的产品架构在往2个方向发展,①BMS有线通信架构,即BMS每个电芯模组上有一个采样板,采样板之间是通过隔离的双绞线连接,组成一个环形的有线拓扑。②未来的发展方向是无线BMS,每个模块之间不再有传输的通信线。不管采用哪种通信技术,BMS系统对于信号传输的实时性,可靠性的要求是一致的。

  无线BMS的优势正在获得越来越多的生态厂商的关注和认可。无线BMS使得电池从生产阶段到退役回收的全生命周期健康管理得以实现。在电池的使用过程中,基于ADI的无线BMS方案,电池就有了可供追溯的身份证,会知道任何时候电池的使用状况,并基于这些数据计算出它的监控状态,这样就可以评估它的残值,未来可以进行更好的梯次利用,比如变成一个大楼的备用电源或者数据中心的备用电源,这也是一个未来发展的方向。

  针对无线BMS技术,ADI已经与包括中国车企在内的全球多家车厂做验证测试,不仅可以提供芯片方案,也会提供相应配套软件去支持客户形成系统可用的量产方案,以此帮助客户快速的走向市场。ADI无线BMS在通用汽车搭载Ultium电池平台的量产车辆中首先获得应用。

  在2020年初,ADI与中国电动汽车百人会共同发起成立“电池全生命周期联合创新中心”,该创新中心联合电池制造商,整车厂,充换电基础设施提供商,电池梯次利用厂商等产业链上下游企业,共同实现对电动汽车电池的关键特性持续监测,实现更精准,安全的电池生命周期管理,为相关产业链企业协同提供重要数据支撑。

  这种基于云平台的电芯级别全程无线监控,借助无线电池管理系统的优势不仅在汽车制造上实现降低成本,更加灵活的电池布局让电动车工业设计更加灵活,同时能够在电池生产,仓储,运输整个流程中全程实现数据实时采集和基于云平台的监测分析。这些信息可以实时传递到云端,汽车厂商可以通过这些数据延长电池以及整个电动汽车的生命周期;产业链合作伙伴可以利用这些数据评估电池的健康状态以及残值,促进电动汽车二手车市场的健康可持续发展,让消费者愿意去购买电动汽车;甚至在电池不能继续服役于电动汽车时,仍然能根据实际存在的准确容量评估有效的服役于储能等梯次利用场景中。

  2   智能座舱汽车音频总线

  在汽车座舱电子市场,随着汽车制造商努力实现车辆差异化以区别于竞争对手,一个越来越明显的趋势是音频,语音和声学相关应用正在迅速扩张。车用音频正从过去单纯的娱乐系统,向信号输入,触发,处理与反馈的方向发展,并开始与汽车驾驶紧密结合,其对驾驶体验和个人与车辆交互水平的期望也在大幅提高。

  不管如何,有一种趋势是确定的,那就是汽车上的音频设备将越来越多,音频质量将越来越好。而几乎所有新兴应用都需要多个声学传感器(如麦克风或麦克风阵列)来实现最佳系统级性能,因此需要一种简单但经济高效的互连技术来确保系统总成本最小化。长久以来,缺乏麦克风优化的互连技术一直是汽车制造商的一大痛点,每个麦克风都需要使用昂贵笨重的屏蔽模拟电缆直连到处理单元。这些增加的成本(主要是实际的布线,其次是重量增加和燃油效率降低方面),在许多情况下阻碍了这些应用的广泛采用,或者至少是将其限制在高端市场。要协调所有这些音频设备,并传输高质量的音频信号,连接技术的最新进展有望推动变革性应用在新世代车辆信息娱乐系统中迅速得到采用,车用音频总线变得不可或缺。

  ADI A2B(汽车音频总线)技术便是专门用来简化新兴汽车麦克风和传感器密集型应用的连接挑战,它可提供高保真音频,并使音频布线重量减少75%,从而提高燃油效率。另外,A2B收发器在一条非屏蔽双绞线上传输音频,I2C控制,低速GPIO,时钟信号以及幻象供电,这也可以降低系统总BOM成本。

  A2B除了让布线更简单,其实还有更多的创新应用,比如更适应高级音频算法。因为音频节点有固定的延迟,可凭借DSP算法确保车内不同位置的音区独立性,以及实现回声消除,配合麦克风和功放进行ANC主动降噪,配合支持A2B接口的加速度传感器进行RNC路噪消除等功能。

  系统级诊断也是A2B的一大亮点。所有A2B节点都能够识别多种故障状况,其中包括断路,线束反接或线束短路至电源或地等。在出现断路,线束短路或线束反接等故障时,故障上游的A2B节点仍然能够正常工作,从而保证系统完整性。诊断功能还提供高效隔离系统级故障的能力,有助于后续维修。

  从实现角度看,A2B是单个主器件,多个子节点(最多10个)的串行拓扑结构。目前全面量产的第三代A2B收发器系列有五个成员,全部都提供汽车,工业和消费电子温度范围。全功能AD2428W与四款功能减少,成本更低的衍生器件—AD2429W,AD2427W,AD2426W和AD2420W——构成ADI公司最新的引脚兼容增强型A2B收发器系列。

  AD242x 系列支持通过菊花链将单个主器件和最多10个子节点连接起来,总线总距离可达40米,各节点之间距离最长可达15米。相比于现有环形/并行拓扑结构,A2B的菊花链拓扑结构是一个重要优势,对整体系统的完整性和鲁棒性很有利。如果A2B菊花链的一个连接受到影响,整个网络不会崩溃。只有故障连接下游的节点会受影响。A2B的嵌入式诊断可以确定故障的起因,发出中断信号,并启动纠正措施。

  与现有数字总线架构相比,A2B拓扑结构更为高效。启动简单的总线初始化流程之后,无需更多处理器干预,总线即可正常运行。A2B的独特架构带来的一个附加优点是,系统延迟是完全确定的(小于50 ?s),并且延迟与音频节点在A2B总线上的位置无关。所有A2B收发器都能在一条非屏蔽双绞线上传输音频,控制,时钟和供电信号。这可降低系统总成本。A2B技术提供的总计50 Mbps总线带宽最多可支持使用标准音频采样速率(44.1 kHz,48 kHz等)和位宽(16,24位)的至多51个上行和下行音频通道。这可为广泛的音频I/O设备提供相当大的灵活性和连接能力。在音频ECU之间维持全数字音频信号链可保证最高质量的音频品质,不会因ADC/DAC转换造成音频性能下降。

  最近宣布的第4代A2B收发器AD243x是在现有技术基础上的发展,提高了关键功能参数(节点数增加到17,总线供电功率增加到50 W),同时添加了额外的SPI控制通道(10 Mbps),为智能A2B节点的远程编程提供了高效的软件空中更新(SOTA)能力。AD243x系列的新特性使其非常适合于新应用,如超高级麦克风架构中装有LED的麦克风节点。

  实际上,A2B技术的商业化已经使得汽车市场的许多应用成为可能,其中既有新应用,也有以前难以实现的应用。例如,汽车音频解决方案的领先提供商Harman International开发了一系列数字麦克风和传感器模块,其利用A2B系统来赋能各种汽车应用;中国汽车制造商比亚迪同样宣布采用ADI公司的A2B技术及SHARC数字信号处理器(DSP),打造能效更高,更节能环保的汽车平台,提升驾乘人员的沉浸式车载音频信息娱乐体验; 现代汽车公司计划推出汽车行业采用A2B技术的全数字路噪降噪系统,并计划在其汽车产品的基础音频连接和信息娱乐系统中更广泛地采用A2B技术等。目前,A2B音频总线已成功与全球 90% 的汽车制造商合作实现了创新的汽车信息娱乐体验。





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