汽車級 PMIC 在 BDU 和 PDU 中的應(yīng)用分析

新唐科技模擬前端產(chǎn)品 - 業(yè)界獨有高壓絕緣工藝

隨著新能源汽車的迅猛崛起和相關(guān)技術(shù)的日益完善，電動汽車正迅速取代燃油車成為新一代的出行首選。在這股熱潮中，與安全相關(guān)的組件，如BDU（Battery Disconnect Unit，電池包斷路單元）和PDU（Power Distribution Unit，高壓配電單元，又俗稱“高壓配電盒”）扮演著舉足輕重的角色，備受重視。作為電動汽車高壓系統(tǒng)的“心臟”，PDU不僅掌控著充放電的節(jié)奏，還時刻守護(hù)著電路的安全，避免過載和短路的風(fēng)險。它更是高壓采樣、低壓控制等關(guān)鍵功能的執(zhí)行者，為電動汽車的穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅實的保障。

而作為電池包狀態(tài)監(jiān)測和安全防護(hù)重要一環(huán)的BDU，專為電池包設(shè)計，也是配電盒的另一種形式。目前BDU都是根據(jù)車廠需求定制，因此收集客戶需求及客戶整車電氣性能很重要。根據(jù)BDU在電池包的位置，可以分為電池箱內(nèi)安裝式和箱外安裝式(也稱為Battery Junction Box)。一般情況下PDU和BDU的功能重疊，不同的主機(jī)廠會有不同的設(shè)計思路來確定是采用PDU還是BDU。

為方便說明，以下我們以功能覆蓋面更大的PDU為例來展開應(yīng)用分析。

機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，全球PDU市場預(yù)計未來六年年復(fù)合增長率CAGR為22 %，到2029年達(dá)到67.1億美元。亞太地區(qū)作為最大的市場，占有大約70%份額。而中國作為亞太最大的新能源乘用車市場，其對PDU市場的貢獻(xiàn)與影響不言而喻。作為電池包重要部件，隨著中國市場乘用車往高壓化趨勢演化，以及動力電池走向高度集成化、極致降本、高安全等等，整車廠對于PDU部件的需求也有了新的變化。

綜合近些年看PDU的發(fā)展趨勢，它們都有與其它部件集成的趨勢，如PDU與BMS或VCU集成，并且進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，更加注重安全化，在800V趨勢下，PDU和BDU對電壓、電流監(jiān)測和相關(guān)的電氣等級，以及電氣工況復(fù)雜程度等指標(biāo)有了更高的要求。

無論P(yáng)DU之后如何變化， PDU最核心的兩個功能應(yīng)該是一直不變的，分別是：管理所有高壓分配和為高壓電氣系統(tǒng)提供集中保護(hù)。管理和保護(hù)的前提是準(zhǔn)確的監(jiān)測系統(tǒng)，以如下的PDU產(chǎn)品規(guī)格書為例：

為了符合對應(yīng)ASIL功能安全等級，我們不難看出PDU控制板需要分別監(jiān)測和管理：

電壓監(jiān)測（自檢）

總壓監(jiān)測

電流監(jiān)測

溫度監(jiān)測

絕緣監(jiān)測

高壓互鎖監(jiān)測

碰撞監(jiān)測

振動監(jiān)測

通訊管理

管理繼電器/斷路器/保險絲進(jìn)行過流保護(hù)、短路保護(hù)等

符合功能安全ASIL-C或D

針對上述需求，新唐科技在2023年9月正式量產(chǎn)了針對電池包監(jiān)控的專用芯片- PMIC (Pack Monitoring IC) KA84917UA。它與新唐科技BM-IC和COM-IC配合使用的典型系統(tǒng)應(yīng)用框圖之一如下：

KA84917UA 的典型產(chǎn)品特性

支持電池包總壓監(jiān)測、電流、絕緣監(jiān)測等功能；

支持高邊或低邊電流傳感器，電流測量精度<0.3%

針對功能安全內(nèi)建完全冗余測量系統(tǒng)

支持隔離雙向菊花鏈通訊，通訊速度最高可達(dá)2.5Mbps

配合同系列的電池管理芯片（KA84950/30）可以支持V-I同步測量, 提供業(yè)界最快同步10uS

提供12通道GPIO，可用于一般輸出控制、模擬輸入和ADC采樣通道

提供SPI Master接口，可支持連接2個SPI從機(jī)設(shè)備

提供I2C串行接口

設(shè)計符合ISO-26262安全體系，支持最高功能安全等級ASIL-D

符合AEC-Q100器件安全認(rèn)證

封裝: 48 腳QFP

結(jié)合上文整理的PDU功能需求表，KA84917UA可以完成總壓、電流和絕緣阻抗的直接測量。其他電壓（自檢）、溫度、高壓互鎖監(jiān)測等，可以選擇用12通道的GPIO（ADC通道）來實現(xiàn)測量。至于碰撞和振動監(jiān)測，根據(jù)帶傳感器或無傳感器檢測方式，分別選擇I2C 或SPI 或GPIO來實現(xiàn)。通訊部分，KA84917UA支持SPI隔離通訊、菊花鏈通訊和CAN通訊（通過MCU）。最后的監(jiān)測保護(hù)動作，包括保險絲主動熔斷、繼電器或斷路器控制，可以根據(jù)實際應(yīng)用需要，以GPIO（信號輸出）或SPI驅(qū)動器等形式來實現(xiàn)。在功能安全方面，KA84917UA除了采用目前業(yè)界最高的高壓絕緣工藝 – SOI（Silicon On Insolator）外，還采用了完全冗余的測量系統(tǒng)，方便客戶實現(xiàn)ASIL-D功能安全的實現(xiàn)。

由于本文篇幅所限，無法一一詳細(xì)列舉分析KA84917UA在PDU和BDU中的細(xì)節(jié)應(yīng)用，以及KA84917UA對應(yīng)的產(chǎn)品特性細(xì)節(jié)參數(shù)。總而言之，新唐科技PMIC是一款適合PDU和BDU應(yīng)用的系統(tǒng)監(jiān)控芯片，可以大大簡化客戶設(shè)計，提高產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速上市。