電池管理系統(tǒng)所用電子組件的演變歷程

我們來(lái)看一下凌力爾特 LTC68xx 這個(gè)產(chǎn)品系列在安全性、準(zhǔn)確度、功能和開(kāi)發(fā)工具支持這些方面取得的進(jìn)步。

2008 年，凌力爾特公司宣布推出首款高性能多節(jié)電池監(jiān)視器 LTC6802。該器件的主要特色包括：能夠在 13ms 內(nèi)以 0.25% 的最大總測(cè)量誤差測(cè)量多達(dá) 12 節(jié)鋰離子電池。這一多節(jié)電池監(jiān)視器的主要功能是，可以多個(gè)串聯(lián)連接，以同步監(jiān)視很長(zhǎng)的高壓電池串中的每一節(jié)電池 (圖 1)。此后，凌力爾特相繼推出了 LTC6803、LTC6804 和現(xiàn)在最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器 LTC6811。所有這 4 款器件都提供相同的基本功能：測(cè)量 12 節(jié)串聯(lián)連接電池中每一節(jié)電池的電壓。這個(gè)產(chǎn)品系列的演變方向一直是不斷提高功能安全性、測(cè)量準(zhǔn)確度和功能集成度。

圖 1：簡(jiǎn)化的多節(jié)電池監(jiān)視器

Primary Function of the Multicell Battery Monitor：多節(jié)電池監(jiān)視器的主要功能

DATA I/O：數(shù)據(jù) I/O

VOLTAGE REFERENCE “VREF”：電壓基準(zhǔn)“VREF”

BATTERY PACK：電池包

DATA PORT：數(shù)據(jù)端口

CONTROLLER：控制器

State of Charge：充電狀態(tài)

State of Health：健康狀態(tài)

System Safety：系統(tǒng)安全

DATA BUS：數(shù)據(jù)總線

ISOLATION BARRIER：隔離勢(shì)壘

MEASURE & BALANCE：測(cè)量與平衡

12 SERIES Li-ION CELLS：12 節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子電池

電池監(jiān)視器組件最顯著的進(jìn)步是功能安全性的提高，正如 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)所定義的那樣。本質(zhì)上，ISO 26262 系統(tǒng)性地解決了汽車中電子和電氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)失靈可能導(dǎo)致潛在危害的問(wèn)題。盡管 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)幾乎涉及到了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及使用的每一個(gè)階段，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須專注于解決以下問(wèn)題：怎樣連續(xù)確認(rèn)可能影響安全性的每一個(gè)組件是否正確運(yùn)行。多節(jié)電池監(jiān)視器在完成這個(gè)任務(wù)時(shí)發(fā)揮了核心作用，因?yàn)殡姵仉妷翰徽_是存在潛在問(wèn)題的第一個(gè)跡象。解決這個(gè)問(wèn)題造成了很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

解決棘手的模擬電子產(chǎn)品問(wèn)題的決心深植于凌力爾特公司的 DNA 之中，汽車電子產(chǎn)品問(wèn)題也不例外。這些多節(jié)電池監(jiān)視器說(shuō)明了凌力爾特在高可靠性、高穩(wěn)定性和高測(cè)量準(zhǔn)確度方面取得的成就，這些監(jiān)視器預(yù)期能夠在高壓、極端溫度、允許熱插拔和有電氣噪聲的環(huán)境中工作很多年。ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)了一步，除了其他很多要求以外，還要求分析潛在故障及其解決方案。在電子產(chǎn)品中識(shí)別和解決潛在故障的一種常見(jiàn)方法是提供自測(cè)試功能和冗余。甚至在 ISO 26262 公布之前，凌力爾特公司就認(rèn)識(shí)到了功能安全性的重要性，在 LTC6802 中提供了自測(cè)試功能和內(nèi)部冗余。每新一代的多節(jié)電池監(jiān)視器都增強(qiáng)并細(xì)化了這些特性。最新器件 LTC6811 在這方面繼續(xù)進(jìn)步，通過(guò)改進(jìn)提高其內(nèi)部診斷的覆蓋范圍。這些功能包括額外的冗余測(cè)量通路、改善輸入信號(hào)間的同步、以及提高自測(cè)試準(zhǔn)確度。結(jié)果是更快、更簡(jiǎn)便和更高效的自測(cè)試，可幫助設(shè)計(jì)師滿足 ISO 26262 要求。甚至對(duì)于非汽車應(yīng)用，這些功能和特色也使設(shè)計(jì)師充滿信心，使他們能夠無(wú)論面對(duì)什么樣的高可靠性應(yīng)用，都能夠自信地應(yīng)對(duì)。

凌力爾特的器件在電池測(cè)量準(zhǔn)確度方面實(shí)現(xiàn)了逐步改進(jìn)和創(chuàng)新。追求卓越的準(zhǔn)確度始終是主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，因?yàn)闈撛跍y(cè)量誤差導(dǎo)致電池管理有效性降低，并最終降低電池包容量、可靠性和 /或縮短壽命。凌力爾特顯著努力地優(yōu)化內(nèi)置的電壓基準(zhǔn)，因?yàn)樗菧y(cè)量誤差的主要決定因素。首批凌力爾特多節(jié)電池監(jiān)視器采用了帶隙電壓基準(zhǔn)。這屬于常規(guī)選擇，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)尺寸小，功耗和壓差都很低。不過(guò)，帶隙基準(zhǔn)的運(yùn)行表現(xiàn)可能像一個(gè)應(yīng)變計(jì)，將印刷電路板組裝產(chǎn)生的機(jī)械壓力、熱量變化、濕度以及長(zhǎng)期漂移變成了測(cè)量誤差。為了避免這種限制，凌力爾特率先采用了一種獨(dú)特方法，給設(shè)計(jì)增加了一種專用的掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)隨溫度、時(shí)間以及其他工作條件變化情況下提供了卓越的穩(wěn)定性。結(jié)果，今天的 LTC6811 能夠以好于 1.2mV 的最差準(zhǔn)確度測(cè)量每一節(jié)電池 (參見(jiàn)圖 2)。

圖 2：掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)的卓越溫度漂移性能

CELL VOLTAGE：電池電壓

5 TYPICAL UNITS：5 個(gè)典型單元

MEASUREMENT ERROR：測(cè)量誤差

TEMPERATURE：溫度

此外，通過(guò)過(guò)濾每一節(jié)電池上的電壓噪聲，凌力爾特的器件還確保卓越的測(cè)量準(zhǔn)確度，甚至在有噪聲存在的情況下也不例外。這是通過(guò)使用增量累加模數(shù)轉(zhuǎn)換器而不是常采用在其他方法中的快速 SAR 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這表明，盡管在測(cè)量數(shù)百節(jié)獨(dú)立電池時(shí) SAR 轉(zhuǎn)換器具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，但凌力爾特再次選擇打破常規(guī)。之所以做出這種選擇，是因?yàn)槠嚟h(huán)境充滿了來(lái)自馬達(dá)、螺線管、電源逆變器等的噪聲和瞬態(tài)干擾。所有這些噪聲都影響測(cè)量準(zhǔn)確度。使用增量累加轉(zhuǎn)換器時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間對(duì)輸入多次采樣，然后再求取平均值。這是經(jīng)過(guò)低通濾波消除作為測(cè)量誤差源的噪聲后得出最終結(jié)果，截止頻率是由采樣率決定的。例如，LTC6802 采用 2 階增量累加轉(zhuǎn)換器，以每秒 1k 采樣的固定采樣率工作。結(jié)果是對(duì) 10kHz 開(kāi)關(guān)噪聲有 36dB 的抑制 (參見(jiàn)圖 3)。不過(guò)，缺點(diǎn)是，用 LTC6802 測(cè)量 12 節(jié)電池需要 13ms 時(shí)間，這對(duì)某些應(yīng)用而言太慢了 。然而，對(duì)于在有噪聲的真實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池測(cè)量而言，采用增量累加轉(zhuǎn)換器仍然是最實(shí)用的方法。由于這個(gè)原因，凌力爾特一直在持續(xù)改進(jìn)其增量累加方法。今天，LTC6811 采用了速度快得多的 3 階增量累加 ADC，提供可編程采樣率和 8 個(gè)可選截止頻率。結(jié)果是得到出色的噪聲衰減和 8 種可編程測(cè)量速率 (圖 4)，從而能夠以 290μs 時(shí)間測(cè)量所有 12 節(jié)電池。

圖 3：LTC6802 增量累加轉(zhuǎn)換器與帶 RC 電路的 SAR 轉(zhuǎn)換器對(duì)比

FILTER GAIN：濾波器增益

FIR FILTER：FIR 濾波器

160Hz RC FILTER：160Hz RC 濾波器

FREQUENCY：頻率

圖 4：LTC6811 增量累加轉(zhuǎn)換器

FILTER GAIN：濾波器增益

FREQUENCY：頻率

最后，有趣值得一提的是，多節(jié)電池監(jiān)視器的功能是如何擴(kuò)展的。正如之前提到的那樣，多節(jié)電池監(jiān)視器的主要任務(wù)是準(zhǔn)確地測(cè)量電池電壓，并將所測(cè)得的電壓值傳送給主處理器。此外，多節(jié)電池監(jiān)視器最好不包括內(nèi)部軟件，因?yàn)閮?nèi)部軟件可能與系統(tǒng)級(jí)電池管理存在沖突。從所有電池收集數(shù)據(jù)并決定充電狀態(tài)或健康狀態(tài)的任務(wù)應(yīng)該由主 BMS 處理器完成。不過(guò)，多節(jié)電池監(jiān)視器位于電池系統(tǒng)中最關(guān)鍵的位置，直接連接至電池。這里是監(jiān)視其他電池傳感器的理想位置，例如電流或溫度傳感器，也是把這些傳感器測(cè)量值與電池測(cè)量值緊密聯(lián)系起來(lái)的理想位置。由于這個(gè)原因，所以多節(jié)電池監(jiān)視器可以作為 BMS 微處理器和外部器件之間的連接中心。

例如，LTC6811 提供非常靈活的通用 I/O，可作為數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、或作為模擬輸入工作。當(dāng)作為模擬輸入工作時(shí)，LTC6811 能夠以與電池測(cè)量相同的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量從 V? 至 5V 的任何電壓。然后，LTC6811 可將這些外部信號(hào)或包含 12 節(jié)電池的整個(gè)電池組之電壓同步到電池電壓測(cè)量值中。另外，通用 I/O 還可以以數(shù)字模式使用，以控制 I2C 或 SPI 從屬器件。這使 LTC6811 能夠控制更復(fù)雜的功能，例如控制多路復(fù)用器以增加模擬輸入或 EEPROM 以存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息。

LTC6811 提供先進(jìn)的電池容量平衡功能。利用 SPI 主控功能，LTC6811 可控制凌力爾特的 SPI 有源平衡 IC LTC3300。LTC6811 包含內(nèi)部被動(dòng)平衡 FET，可使個(gè)別電池放電，或直接地控制較大的外部大功率 FET。LTC6811 能夠配置每節(jié)電池的放電引腳，以使每節(jié)電池以獨(dú)立的周期工作。這使得在多節(jié)電池監(jiān)視器未運(yùn)行時(shí)，能夠在很長(zhǎng)的周期中單獨(dú)地平衡每一節(jié)電池的容量。最后，每個(gè)被動(dòng)平衡引腳都可以用作串行接口。在連接凌力爾特的 LT8584 單片有源電池容量平衡器時(shí)尤其有用，在這種情況下，可以控制有源平衡，而且可以監(jiān)視每一節(jié)獨(dú)立電池的電流和溫度。

為了集成所有這些功能并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，凌力爾特的 Linduino One (參見(jiàn)圖 5) 對(duì) LTC6811 提供了全面支持。Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容微控制器電路板，提供了全面的 USB 隔離，并直接連至 LTC6811 演示電路板。這個(gè)平臺(tái)有內(nèi)置自引導(dǎo)程序，可快速實(shí)現(xiàn)在電路的固件更新，是一款簡(jiǎn)便、穩(wěn)定的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。既然 Arduino 是開(kāi)源平臺(tái)，那么 BMS 設(shè)計(jì)師就可以非常容易地使用簡(jiǎn)便和強(qiáng)大的 Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)。稱為 bmsSketchbook 的代碼庫(kù)為 LTC6811 提供了代碼示例，該示例可在任何標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言編譯器中編譯。例如，bmsSketchbook 包括讀寫(xiě)配置例程，可讀寫(xiě)電池電壓，運(yùn)行自測(cè)試、冗余測(cè)試功能，并控制被動(dòng)平衡功能。

圖 5：Linduino 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

結(jié)論

自 2008 年，凌力爾特已經(jīng)推出了 4 代多節(jié)電池監(jiān)視器。這些器件的安全特色、準(zhǔn)確度和功能在過(guò)去這些年中已經(jīng)發(fā)生了很大變化，這說(shuō)明這些 IC 在高性能電池管理領(lǐng)域的重要性與日俱增。此外，無(wú)論用于什么樣的最終應(yīng)用，新的工具都使這些器件集成到電池管理系統(tǒng)中的過(guò)程得到了簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。凌力爾特最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器 LTC6811 (如圖 6 所示) 提供了十分出色的功能，幾乎適用于任何高壓、大功率的電池系統(tǒng)。

圖 6：凌力爾特的 LTC6811：第四代多節(jié)電池監(jiān)視器