對(duì)電動(dòng)汽車可行性的懷疑已經(jīng)平息很久了?，F(xiàn)在的主要問(wèn)題是：“新型大功率電池技術(shù)可滲透多遠(yuǎn),、多寬和多深?”也許答案并不令人意外,，沒人真正知道確切的結(jié)果,。不過(guò),，考慮一下電池管理系統(tǒng) (BMS) 所用電子組件的演變是件很有趣的事,，尤其是位于其核心的多節(jié)電池監(jiān)視器組件,?？紤]這個(gè)問(wèn)題也許有助于了解高壓電池包在電池備份系統(tǒng)到外骨架等各種應(yīng)用中的采用趨勢(shì)。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 開關(guān)噪聲有 36dB 的抑制 (參見圖 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[1],。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 290?s 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發(fā)時(shí)間,，凌力爾特的 Linduino? One (參見圖 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)定的硬件開發(fā)平臺(tái),。既然 Arduino 是開源平臺(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 包括讀寫配置例程，可讀寫電池電壓,，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

　　[1] 盡管 SAR ADC 拓?fù)湓试S更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，但是在有噪聲的系統(tǒng)中所得的結(jié)果卻是值得懷疑,。對(duì)于與 LTC6802 相同的 10kHz 噪聲抑制而言，每秒 1M 采樣率的 SAR 轉(zhuǎn)換器需要給每個(gè)電池配備一個(gè)單極點(diǎn) RC 濾波器,，拐角頻率為 160Hz (參見圖 3),。RC 濾波器的 12 位穩(wěn)定時(shí)間為 8.4ms。因此,，盡管 SAR 轉(zhuǎn)換器可以在 10?s 時(shí)間內(nèi)順序經(jīng)過(guò) 10 個(gè)通道,，但是由于濾波器的響應(yīng)時(shí)間，以高于每 8.4ms 掃描一次的速度卻毫無(wú)意義,。