对电动轿车可行性的置疑现已停息很久了。现在的首要问题是：“新式大功率电池技能可渗透多远、多宽和多深?”或许答案并不令人意外，没人实在知道切当的成果。不过，考虑一下电池办理体系 (BMS) 所用电子组件的演化是件很风趣的事，特别是坐落其中心的多节电池监督器组件。考虑这个问题或许有助于了解高压电池包在电池备份体系到外骨架等各种运用中的选用趋势。咱们来看一下凌力尔特 LTC68xx 这个产品系列在安全性、精确度、功用和开发东西支撑这些方面获得的前进。
2008 年，凌力尔特公司宣告推出首款高功用多节电池监督器 LTC6802。该器材的首要特征包含：能够在 13ms 内以 0.25% 的最大总丈量误差丈量多达 12 节锂离子电池。这一多节电池监督器的首要功用是，能够多个串联衔接，以同步监督很长的高压电池串中的每一节电池 (图 1)。尔后，凌力尔特相继推出了 LTC6803、LTC6804 和现在最先进的多节电池监督器 LTC6811。一切这 4 款器材都供给相同的基本功用：丈量 12 节串联衔接电池中每一节电池的电压。这个产品系列的演化方向一直是不断前进功用安全性、丈量精确度和功用集成度。
图 1：简化的多节电池监督器
Primary FuncTIon of the MulTIcell Battery Monitor：多节电池监督器的首要功用
DATA I/O：数据 I/O
VOLTAGE REFERENCE “VREF”：电压基准“VREF”
BATTERY PACK：电池包
DATA PORT：数据端口
CONTROLLER：操控器
State of Charge：充电状况
State of Health：健康状况
System Safety：体系安全
DATA BUS：数据总线
ISOLATION BARRIER：阻隔势垒
MEASURE & BALANCE：丈量与平衡
12 SERIES Li-ION CELLS：12 节串联衔接的锂离子电池
电池监督器组件最显着的前进是功用安全性的前进，正如 ISO 26262 规范所界说的那样。本质上，ISO 26262 体系性地处理了轿车中电子和电气体系作业失灵或许导致潜在损害的问题。虽然 ISO 26262 规范简直触及到了产品开发及运用的每一个阶段，可是体系规划师有必要专心于处理以下问题：怎样连续承认或许影响安全性的每一个组件是否正确运转。多节电池监督器在完结这个使命时发挥了中心作用，因为电池电压不正确是存在潜在问题的第一个痕迹。处理这个问题造成了很大的规划应战。
处理扎手的模仿电子产品问题的决计深植于凌力尔特公司的 DNA 之中，轿车电子产品问题也不破例。这些多节电池监督器说明晰凌力尔特在高可靠性、高安稳性和高丈量精确度方面获得的成果，这些监督器预期能够在高压、极点温度、答应热插拔和有电气噪声的环境中作业许多年。ISO 26262 规范又进了一步，除了其他许多要求以外，还要求剖析潜在毛病及其处理方案。在电子产品中辨认和处理潜在毛病的一种常见办法是供给自测验功用和冗余。乃至在 ISO 26262 发布之前，凌力尔特公司就知道到了功用安全性的重要性，在 LTC6802 中供给了自测验功用和内部冗余。每新一代的多节电池监督器都增强并细化了这些特性。最新器材 LTC6811 在这方面继续前进，通过改善前进其内部确诊的掩盖规模。这些功用包含额定的冗余丈量通路、改善输入信号间的同步、以及前进自测验精确度。成果是更快、更简洁和更高效的自测验，可协助规划师满意 ISO 26262 要求。乃至关于非轿车运用，这些功用和特征也使规划师充满信心，使他们能够不管面临什么样的高可靠性运用，都能够自傲地应对。
凌力尔特的器材在电池丈量精确度方面完结了逐渐改善和立异。寻求杰出的精确度始终是首要规划方针，因为潜在丈量误差导致电池办理有效性下降，并终究下降电池包容量、可靠性和 /或缩短寿数。凌力尔特显着努力地优化内置的电压基准，因为它是丈量误差的首要决议因素。第一批凌力尔特多节电池监督器选用了带隙电压基准。这归于惯例挑选，因为带隙基准尺度小，功耗和压差都很低。不过，带隙基准的运转体现或许像一个应变计，将印刷电路板拼装发生的机械压力、热量改变、湿度以及长时刻漂移变成了丈量误差。为了防止这种约束，凌力尔特首先选用了一种共同办法，给规划添加了一种专用的埋葬式齐纳电压基准。这种基准随温度、时刻以及其他作业条件改变情况下供给了杰出的安稳性。成果，今日的 LTC6811 能够以好于 1.2mV 的最差精确度丈量每一节电池 (参见图 2)。
图 2：埋葬式齐纳电压基准的杰出温度漂移功用
CELL VOLTAGE：电池电压
5 TYPICAL UNITS：5 个典型单元
MEASUREMENT ERROR：丈量误差
TEMPERATURE：温度
此外，通过过滤每一节电池上的电压噪声，凌力尔特的器材还保证杰出的丈量精确度，乃至在有噪声存在的情况下也不破例。这是通过运用增量累加模数转化器而不是常选用在其他办法中的快速 SAR 转化器来完结。这表明，虽然在丈量数百节独立电池时 SAR 转化器具有显着的速度优势，但凌力尔特再次挑选打破惯例。之所以做出这种挑选，是因为轿车环境充满了来自马达、螺线管、电源逆变器等的噪声和瞬态搅扰。一切这些噪声都影响丈量精确度。运用增量累加转化器时，在转化期间对输入屡次采样，然后再求取平均值。这是通过低通滤波消除作为丈量误差源的噪声后得出终究成果，截止频率是由采样率决议的。例如，LTC6802 选用 2 阶增量累加转化器，以每秒 1k 采样的固定采样率作业。成果是对 10kHz 开关噪声有 36dB 的按捺 (参见图 3)。不过，缺陷是，用 LTC6802 丈量 12 节电池需求 13ms 时刻，这对某些运用而言太慢了[1]。可是，关于在有噪声的实在国际中完结精确的电池丈量而言，选用增量累加转化器仍然是最有用的办法。因为这个原因，凌力尔特一直在继续改善其增量累加办法。今日，LTC6811 选用了速度快得多的 3 阶增量累加 ADC，供给可编程采样率和 8 个可选截止频率。成果是得到超卓的噪声衰减和 8 种可编程丈量速率 (图 4)，然后能够以 290µs 时刻丈量一切 12 节电池。
图 3：LTC6802 增量累加转化器与带 RC 电路的 SAR 转化器比照
FILTER GAIN：滤波器增益
FIR FILTER：FIR 滤波器
160Hz RC FILTER：160Hz RC 滤波器
FREQUENCY：频率
图 4：LTC6811 增量累加转化器
FILTER GAIN：滤波器增益
FREQUENCY：频率
终究，风趣值得一提的是，多节电池监督器的功用是怎么扩展的。正如之前说到的那样，多节电池监督器的首要使命是精确地丈量电池电压，并将所测得的电压值传送给主处理器。此外，多节电池监督器最好不包含内部软件，因为内部软件或许与体系级电池办理存在抵触。从一切电池搜集数据并决议充电状况或健康状况的使命应该由主 BMS 处理器完结。不过，多节电池监督器坐落电池体系中最要害的方位，直接衔接至电池。这里是监督其他电池传感器的抱负方位，例如电流或温度传感器，也是把这些传感器丈量值与电池丈量值严密联系起来的抱负方位。因为这个原因，所以多节电池监督器能够作为 BMS 微处理器和外部器材之间的衔接中心。
例如，LTC6811 供给非常灵敏的通用 I/O，可作为数字输入、数字输出、或作为模仿输入作业。当作为模仿输入作业时，LTC6811 能够以与电池丈量相同的丈量精确度，丈量从 V- 至 5V 的任何电压。然后，LTC6811 可将这些外部信号或包含 12 节电池的整个电池组之电压同步到电池电压丈量值中。别的，通用 I/O 还能够以数字形式运用，以操控 I2C 或 SPI 隶属器材。这使 LTC6811 能够操控更杂乱的功用，例如操控多路复用器以添加模仿输入或 EEPROM 以存储校准信息。
LTC6811 供给先进的电池容量平衡功用。运用 SPI 主控功用，LTC6811 可操控凌力尔特的 SPI 有源平衡 IC LTC3300。LTC6811 包含内部被迫平衡 FET，可使单个电池放电，或直接地操控较大的外部大功率 FET。LTC6811 能够装备每节电池的放电引脚，以使每节电池以独立的周期作业。这使得在多节电池监督器未运转时，能够在很长的周期中单独地平衡每一节电池的容量。终究，每个被迫平衡引脚都能够用作串行接口。在衔接凌力尔特的 LT8584 单片有源电池容量平衡器时特别有用，在这种情况下，能够操控有源平衡，并且能够监督每一节独立电池的电流和温度。
为了集成一切这些功用并缩短开发时刻，凌力尔特的 Linduino™ One (参见图 5) 对 LTC6811 供给了全面支撑。Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容微操控器电路板，供给了全面的 USB 阻隔，并直连续至 LTC6811 演示电路板。这个渠道有内置自引导程序，可快速完结在电路的固件更新，是一款简洁、安稳的硬件开发渠道。已然 Arduino 是开源渠道，那么 BMS 规划师就能够非常容易地运用简洁和强壮的 Arduino 集成开发环境 (IDE)。称为 bmsSketchbook 的代码库为 LTC6811 供给了代码示例，该示例可在任何规范 C 言语编译器中编译。例如，bmsSketchbook 包含读写装备例程，可读写电池电压，运转自测验、冗余测验功用，并操控被迫平衡功用。
图 5：Linduino 开发体系
定论
自 2008 年，凌力尔特现已推出了 4 代多节电池监督器。这些器材的安全特征、精确度和功用在曩昔这些年中现已发生了很大改变，这说明这些 IC 在高功用电池办理范畴的重要性日积月累。此外，不管用于什么样的终究运用，新的东西都使这些器材集成到电池办理体系中的进程得到了简化和规范化。凌力尔特最先进的多节电池监督器 LTC6811 (如图 6 所示) 供给了非常超卓的功用，简直适用于任何高压、大功率的电池体系。
图 6：凌力尔特的 LTC6811：第四代多节电池监督器
[1] 虽然 SAR ADC 拓扑答应更快的数据转化，可是在有噪声的体系中所得的成果却是值得置疑。关于与 LTC6802 相同的 10kHz 噪声按捺而言，每秒 1M 采样率的 SAR 转化器需求给每个电池装备一个单极点 RC 滤波器，角落频率为 160Hz (参见图 3)。RC 滤波器的 12 位安稳时刻为 8.4ms。因而，虽然 SAR 转化器能够在 10µs 时刻内次序通过 10 个通道，可是因为滤波器的呼应时刻，以高于每 8.4ms 扫描一次的速度却毫无意义。
（作者：凌力尔特信号调度产品部 高档产品商场工程师 Greg Zimmer）
