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作者: Greg Zimmer 對電動汽車可行性的懷疑已經(jīng)平息很久了�，F(xiàn)在的主要問題是：“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，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。我們來看一下凌力爾特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%的最大總測量誤差測量多達(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、測量準(zhǔn)確度和功能集成度。 
圖1：簡化的多節(jié)電池監(jiān)視器 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)致潛在危害的問題。盡管ISO26262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_是存在潛在問題的第一個(gè)跡象。解決這個(gè)問題造成了很大的設(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)品問題也不例外。這些多節(jié)電池監(jiān)視器說明了凌力爾特在高可靠性、高穩(wěn)定性和高測量準(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)品中識別和解決潛在故障的一種常見方法是提供自測試功能和冗余。甚至在ISO 26262公布之前，凌力爾特公司就認(rèn)識到了功能安全性的重要性，在LTC6802中提供了自測試功能和內(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量通路、改善輸入信號間的同步、以及提高自測試準(zhǔn)確度。結(jié)果是更快、更簡便和更高效的自測試，可幫助設(shè)計(jì)師滿足ISO 26262要求。甚至對于非汽車應(yīng)用，這些功能和特色也使設(shè)計(jì)師充滿信心，使他們能夠無論面對什么樣的高可靠性應(yīng)用，都能夠自信地應(yīng)對。 凌力爾特的器件在電池測量準(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，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、濕度以及長期漂移變成了測量誤差。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)確度測量每一節(jié)電池(圖2)。
圖2：掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)的卓越溫度漂移性能 此外，通過過濾每一節(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)換器來實(shí)現(xiàn)。這表明，盡管在測量數(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，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量準(zhǔn)確度。使用增量累加轉(zhuǎn)換器時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間對輸入多次采樣，然后再求取平均值。這是經(jīng)過低通濾波消除作為測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10kHz開關(guān)噪聲有36dB的抑制(圖3)。不過，缺點(diǎn)是，用LTC6802測量12節(jié)電池需要13ms時(shí)間，這對某些應(yīng)用而言太慢了。然而，對于在有噪聲的真實(shí)世界中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池測量而言，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 種可編程測量速率(圖4)，從而能夠以 290us時(shí)間測量所有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)換器對比
圖4：LTC6811增量累加轉(zhuǎn)換器 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)確地測量電池電壓，并將所測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，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量值與電池測量值緊密聯(lián)系起來的理想位置。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能夠以與電池測量相同的測量準(zhǔn)確度，測量從V-至5V的任何電壓。然后，LTC6811可將這些外部信號或包含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(圖5) 對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，是一款簡便、穩(wěn)定的硬件開發(fā)平臺。既然Arduino是開源平臺，那么BMS設(shè)計(jì)師就可以非常容易地使用簡便和強(qiáng)大的Arduino 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。稱為bmsSketchbook的代碼庫為LTC6811提供了代碼示例，該示例可在任何標(biāo)準(zhǔn)C語言編譯器中編譯。例如，bmsSketchbook 包括讀寫配置例程，可讀寫電池電壓，運(yùn)行自測試、冗余測試功能，并控制被動平衡功能。
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)確度和功能在過去這些年中已經(jīng)發(fā)生了很大變化，這說明這些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)中的過程得到了簡化和標(biāo)準(zhǔn)化。凌力爾特最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器LTC6811(圖6)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 |
