电池管理系统(BMS)集成电路(IC)本质上是围绕一个测量引擎构建的一系列功能，该引擎监测电池单元的电压、电流、库仑计数和温度。任何电池管理系统的基石在于其以足够的准确性测量这些参数的能力，并且做到具有成本效益。虽然构建准确的模数转换器(ADC)本身并不困难(高精度ADC已经存在数十年)，但真正的挑战在于使其足够小、有效且经济，以便于扩展，特别是在需要将ADC的数量与电池单元的数量相匹配时。

Nova的突破性架构引入了电池测量的根本转变：为每个电池单元配备专用的ADC，完全消除了时间复用的需要。乍一看，这似乎是一个微不足道的架构细节——但实际上，它挑战了数十年的行业惯例。而且，许多系统设计师因传统BMS架构而产生的思维定式往往误解或忽视这一点。

如今，BMS IC市场通常分为两类：

1、模拟前端，通常提供更好的原始测量性能，但将关键的BMS功能(如均衡、故障处理或保护)卸载到单独的微控制器(MCU)。这些解决方案面向专业用户和高要求的应用，但需要大量的工程工作来完成系统。

2、完全集成的BMS IC，提供更简便的解决方案，但通常在测量准确性上妥协，并依赖广泛的校准以满足系统需求。这些通常出现在对成本敏感或对准确性要求较低的应用中。

本文重申了为什么每个电池单元配备一个ADC是至关重要的——不仅是为了更好的准确性，还为了实现如实时均衡和首次能够精确测量100微欧姆的阻抗等强大新功能，且具有完全的可重复性。

质疑长期以来的做法是困难的——尤其是那些被视为行业默认的做法。但真正的创新会重新审视那些被假定的东西。Nova的技术不仅仅是改善BMS测量——它重新定义了其基础，解决了传统架构无法克服的关键限制。

多路复用ADC的问题

时间复用ADC是模拟设计中最古老的技术之一。使用多路复用器的主要原因是节省芯片面积和成本，特别是因为高分辨率ADC可能体积庞大且复杂。在许多应用中，这是一个可接受的折衷——当输入相互独立且松散耦合时，单个ADC共享多个通道可以提供合理的性能，并对影响最小。

但这一假设在电池管理系统(BMS)中失效。

在多单元堆叠中，单个电池单元电压和电池组电流的测量并不是独立的——事实上，由于称为串联阻抗的现象，它们紧密相关。与简单的电阻不同，电池阻抗不仅包括欧姆(电阻)元件，还包括随温度、负载、老化甚至机械应力而变化的电化学动态。

这些动态阻抗效应在充电或放电事件中会扭曲电压读数。由于总阻抗(电气 + 化学)乘以电流在每个电池单元上导致电压变化，任何测量时序的滞后或不匹配都会导致不准确的读数——尤其是在使用时间复用ADC时。这会降低均衡的准确性，降低安全性，并削弱跟踪关键老化参数(如健康状态(SOH))的能力。

图1

只有专用ADC——每个电池单元一个——才能实现真正的同时采样，消除多路复用系统固有的电流失真。这对于准确的均衡至关重要，更重要的是提取精细的阻抗信息，这是高级诊断和健康状态评估的关键。

图2

多重ADC的难点

增加ADC的挑战主要不是技术性的问题——而是经济性的问题。每个产品必须同时满足性能和成本目标才能成功。仅仅为了满足技术需求而忽视经济限制，可能会产生一个卓越的部件，但最终在市场上失败。真正的挑战在于平衡这两者的需求。

理论上，传统的ADC架构可以复制以匹配单元数量——通常多达16个或更多。问题在于：是否能在预算内完成?用于BMS设计的ADC——无论是SAR还是Sigma-Delta——必须满足苛刻的规范：低偏移、高线性(良好的INL/DNL)、稳定增益、低功耗，以及对温度和时间漂移的免疫。实现这些需求不仅仅需要ADC核心;每个通道通常还包括支持电路，如放大器、参考电压和电平转换器。

为了实现高准确性，这些组件通常需要单独调整——有时在多个温度和输入电压下——以确保在操作范围内的性能。只在单一工作点调整所有参数，可能在实际条件变化时远离目标。因此，许多这些模块必须单独调整和微调，以确保它们在不同的温度、电压和老化条件下保持在规范范围内。

这种校准使用高端测试设备进行，成本从数十万美元到超过一百万美元不等。测试时间成为直接的成本驱动因素，因为它本质上是昂贵测试设备在生产量上的摊销。在高精度IC中，这可能占总成本的很大一部分。

这就是为什么传统ADC模块的增加——连同它们的调整和支持电路——在成本上几乎与通道数量成线性关系。技术挑战可能得到解决，但经济惩罚依然是实际障碍。

传统补救措施

由于增加ADC在历史上被认为不切实际，大多数设计师尝试用过滤和速度技巧来“修补”多路复用系统。常见的补救措施包括：

重型模拟滤波

重型数字滤波(通过过采样)

更快的ADC

模拟滤波

理论上，低通滤波器可以平滑多路复用引入的噪声和失真。但在实践中，嘈杂的低频环境(如电动机驱动)需要极低的截止频率，这需要大型串联电阻和电容。

缺点：

大电阻与正常输入偏置电流相互作用，增加了偏移误差。

长时间常数使系统反应迟钝，影响动态响应。

数字滤波

数字滤波避免了笨重的模拟组件，但也有其自身的成本：

成本缺陷

处理器开销——实现高质量数字滤波需要一个强大的数字信号处理器(DSP)或高性能微控制器(MCU)以及额外的内存。这增加了芯片面积、功耗和系统成本。

更高的ADC速度——过采样需要显著更快的ADC。一些模拟前端IC的功耗比Nova的NB1600高出多达40倍，仅为此功能，成为电池供电系统中的一个严重缺点。

准确性缺陷

量化误差——将模拟信号转换为数字信号本质上会引入量化误差。滤波可能会加重这些误差，特别是当系数和中间结果必须舍入以适应有限字宽(16位、32位)时。这导致：

系数量化——滤波器性能因舍入系数而漂移。

溢出和舍入误差——乘法和加法可能超过存储限制，导致溢出或增加噪声。

延迟——数字滤波引入处理延迟。在实时应用中，这种延迟可能降低控制性能和准确性。

简而言之，这些补救措施在理论上改善了多路复用测量，但每种方法都带来了经济、功耗和准确性的惩罚——且没有一种能完全克服时间共享ADC的固有局限性。

打破多路复用障碍——每个电池单元配备专用ADC的理由

克服多路复用测量限制的最有效方法看似简单：为每个电池单元提供自己的ADC。这消除了核心问题——电池测量之间的时间间隔——并去除了许多用于清理多路复用数据的模拟和数字“补丁”。然而，由于成本、芯片面积和测试复杂性，这种方法在历史上一直被拒绝为不切实际。

图3

Nova的架构改变了这一方程。通过使用专利的数字辅助模拟(DAA)架构，重新思考ADC模块设计、调整方法和集成策略，我们将每个ADC的开销降低到一个经济上可行的水平，从而在系统级别上具有竞争力。结果是一个测量引擎，在这种情况下，准确性不再需要以预算为代价。

重要性

通过同时在相同条件下测量每个电池单元，系统获得了以前根本无法实现的能力：

完美实时均衡——均衡决策基于即时、同步的数据，而不是错开的快照，使得在电池单元之间进行精确的能量对齐成为可能，无需振荡或猜测。

真实瞬时测量——无需等待完整的多路复用周期;所有电池的数据始终是最新的，这改善了在负载变化时的动态性能。

阻抗测量达到100微欧姆——跨所有电池的高速同步采样允许检测和关联小电压扰动与电流变化，提供在现实中噪声环境下可重复的阻抗读数。

系统级别的好处

除了原始性能提升外，专用ADC简化了BMS的其余部分：

减少模拟和数字滤波的需求，降低复杂性。

降低固件复杂性和处理负担，因为不再需要过采样和激进的滤波。

与高速过采样架构相比，功耗降低。

竞争性的总材料清单(BOM)成本——Nova的BMS IC不仅仅是模拟前端;它们是全功能的BMS解决方案，允许用户选择自己实现哪些功能。这减少或消除了对大型昂贵MCU和复杂固件的需求。

通过打破多路复用障碍，Nova的架构重新定义了BMS IC能实现的功能。它将电池单元监测从瓶颈转变为高级电池管理策略的推动者——并且不打破高容量部署所需的成本模型。

结论

数十年来，BMS设计师们接受了多路复用ADC架构的妥协，认为这是不变的事实——通过滤波、过采样和越来越快的转换器来获取“足够好的”结果。Nova的架构完全消除了这些妥协。通过使每个电池单元配备专用的高准确性ADC在经济和技术上都可行，我们实现了测量性能和能力，这些是传统设计无法匹敌的。

最终结果不仅仅是更清晰的信号——这是电池管理的新基础，解锁了实时均衡、精密阻抗测量和更准确的状态估计，而不会增加系统成本或功耗。在每毫欧和每毫伏都至关重要的行业中，从“足够好”转变为无妥协的测量不仅是一种升级——而是对可能性的重新定义。