日前，微電子所專用集成電路與系統研究室（二室）在“動力電池組監控芯片”研究項目中取得突破。
當前，隨著傳統能源緊缺和環境污染的日益嚴重，節能及環境友好型的新能源產業越來越被各國所重視。在新能源開發中，大功率電池組的應用需求日趨增加。為了滿足大功率的能量需求，電池組通常都會由幾十個甚至上百個單體電池串聯起來提供能量。由于單體電池之間的差異性，實際使用中連續的充放電循環會導致單體電池的差異累積，最終使電池組的可使用電量減少，縮短電池的使用壽命。為了使電池組在各種工作條件下獲得最佳的性能、最長的使用壽命，工程應用中都會使用電池管理系統（BMS）對電池組的參數和狀態進行監控。電池組監控芯片作為管理系統和電池組之間的關鍵銜接要件，其功能與性能決定了管理系統的整體表現，是電池組管理系統中最重要的核心元件之一。
在國家科技重大專項和中科院支撐服務國家戰略性新興產業計劃專項的支持下，由二室主任黑勇研究員進行規劃和指導，趙野副研究員帶領的研發團隊對電池組監控芯片關鍵技術展開研究，完成了一款用于動力電池組的高精度、帶均衡控制的監控芯片BM303的研發。該芯片采用單顆芯片可監視8節串聯電芯、芯片間通過高壓接口級聯通訊、最高可監控上百節電芯的可堆疊式架構，芯片內集成帶濾波處理的12BIT Σ-ΔADC等高精度模擬電路以及大規模數字邏輯控制電路。
圖1芯片實物（采用LQFP44封裝形式） 圖2 芯片裸die照片
項目進行中，研發團隊攻克了高共模電壓下電池信息采樣、級聯通訊與協作機制、特殊ESD設計、高精度基準源、高精度ADC、均衡控制策略、數字控制策略等技術難題，最終成功實現流片。實測結果顯示，該芯片最大測量誤差在2.1‰以內，可以進行片內均衡和外部離散元件均衡，芯片之間可進行級聯通信，不僅支持各種電池信息的報警與保護，還支持在線診斷和故障檢測等，可實現電池組的智能化監控與管理。在可靠性測試中，分別通過HBM模式2000 V（Class2）、CDM模式1000 V（Class4）、MM模式200 V（Class2）下的ESD測試。
圖3 電池數據信息讀出波形
（圖3為芯片讀取的電池電壓等信息，該數據通過SPI接口上傳給MCU并計算得出電池電壓等信息的精確結果。）
圖4 芯片測試值與實際值之差統計結果
（圖4為芯片讀出8節堆疊電池電壓的精度統計情況（最差0.21%，最好0.04%）。2mV的電壓誤差意味著1%的SOC誤差，以上的測試結果表明，在最差情況下，通過該芯片可以獲得<4%的SOC誤差，在實際工程中<10%的SOC誤差即可滿足應用需求；如果采用校準算法可以獲得更高的SOC精度，能夠滿足苛刻條件下的應用要求。因此，該芯片及其系統已滿足在電動車、電動工具、太陽能電站儲能、微網儲能、通信備用電源管理等領域的實用要求。）
該款芯片的功能和性能指標都達到了國內領先的水平，芯片已經可以提供工程批樣片，芯片數據規格與使用手冊等相關文檔也已完善，芯片及系統正在進行產品應用與推廣。研發團隊在重點突破高共模電壓下對電池信息進行精確采樣、檢測、傳輸與均衡控制等關鍵技術的基礎上，將對該芯片及其系統繼續優化提高，進一步探索數模混合的高性能電池組芯片集成技術，實現電池組智能化管理的核心技術突破，為國產化、產業化奠定基礎。
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