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作者：凌力爾特公司信號調理產品部高級產品市場工程師Greg Zimmer 對電動汽車可行性的懷疑已經平息很久了。現在的主要問題是：“新型大功率電池技術可滲透多遠、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果。不過，考慮一下電池管理系統 (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電池監視器組件。考慮這個問題也許有助于了解高壓電池包在電池備份系統到外骨架等各種應用中的采用趨勢。我們來看一下凌力爾特 LTC68xx 這個產品系列在安全性、準確度、功能和開發工具支持這些方面取得的進步。 2008 年，凌力爾特公司宣布推出首款高性能多節電池監視器 LTC6802。該器件的主要特色包括：能夠在 13ms 內以 0.25% 的最大總測量誤差測量多達 12 節鋰離子電池。這一多節電池監視器的主要功能是，可以多個串聯連接，以同步監視很長的高壓電池串中的每一節電池 (圖 1)。此后，凌力爾特相繼推出了 LTC6803、LTC6804 和現在最先進的多節電池監視器 LTC6811。所有這 4 款器件都提供相同的基本功能：測量 12 節串聯連接電池中每一節電池的電壓。這個產品系列的演變方向一直是不斷提高功能安全性、測量準確度和功能集成度。 
圖 1：簡化的多節電池監視器 Primary Function of the Multicell Battery Monitor：多節電池監視器的主要功能 DATA I/O：數據 I/O VOLTAGE REFERENCE “VREF”：電壓基準“VREF” BATTERY PACK：電池包 DATA PORT：數據端口 CONTROLLER：控制器 State of Charge：充電狀態 State of Health：健康狀態 System Safety：系統安全 DATA BUS：數據總線 ISOLATION BARRIER：隔離勢壘 MEASURE & BALANCE：測量與平衡 12 SERIES Li-ION CELLS：12 節串聯連接的鋰離子電池 電池監視器組件最顯著的進步是功能安全性的提高，正如 ISO 26262 標準所定義的那樣。本質上，ISO 26262 系統性地解決了汽車中電子和電氣系統運轉失靈可能導致潛在危害的問題。盡管 ISO 26262 標準幾乎涉及到了產品開發及使用的每一個階段，但是系統設計師必須專注于解決以下問題：怎樣連續確認可能影響安全性的每一個組件是否正確運行。多節電池監視器在完成這個任務時發揮了核心作用，因為電池電壓不正確是存在潛在問題的第一個跡象。解決這個問題造成了很大的設計挑戰。 解決棘手的模擬電子產品問題的決心深植于凌力爾特公司的 DNA 之中，汽車電子產品問題也不例外。這些多節電池監視器說明了凌力爾特在高可靠性、高穩定性和高測量準確度方面取得的成就，這些監視器預期能夠在高壓、極端溫度、允許熱插拔和有電氣噪聲的環境中工作很多年。ISO 26262 標準又進了一步，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部冗余。每新一代的多節電池監視器都增強并細化了這些特性。最新器件 LTC6811 在這方面繼續進步，通過改進提高其內部診斷的覆蓋范圍。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、以及提高自測試準確度。結果是更快、更簡便和更高效的自測試，可幫助設計師滿足 ISO 26262 要求。甚至對于非汽車應用，這些功能和特色也使設計師充滿信心，使他們能夠無論面對什么樣的高可靠性應用，都能夠自信地應對。 凌力爾特的器件在電池測量準確度方面實現了逐步改進和創新。追求卓越的準確度始終是主要設計目標，因為潛在測量誤差導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化內置的電壓基準，因為它是測量誤差的主要決定因素。首批凌力爾特多節電池監視器采用了帶隙電壓基準。這屬于常規選擇，因為帶隙基準尺寸小，功耗和壓差都很低。不過，帶隙基準的運行表現可能像一個應變計，將印刷電路板組裝產生的機械壓力、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特方法，給設計增加了一種專用的掩埋式齊納電壓基準。這種基準隨溫度、時間以及其他工作條件變化情況下提供了卓越的穩定性。結果，今天的 LTC6811 能夠以好于 1.2mV 的最差準確度測量每一節電池 (參見圖 2)。
圖 2：掩埋式齊納電壓基準的卓越溫度漂移性能 CELL VOLTAGE：電池電壓 5 TYPICAL UNITS：5 個典型單元 MEASUREMENT ERROR：測量誤差 TEMPERATURE：溫度 此外，通過過濾每一節電池上的電壓噪聲，凌力爾特的器件還確保卓越的測量準確度，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轉換器而不是常采用在其他方法中的快速 SAR 轉換器來實現。這表明，盡管在測量數百節獨立電池時 SAR 轉換器具有明顯的速度優勢，但凌力爾特再次選擇打破常規。之所以做出這種選擇，是因為汽車環境充滿了來自馬達、螺線管、電源逆變器等的噪聲和瞬態干擾。所有這些噪聲都影響測量準確度。使用增量累加轉換器時，在轉換期間對輸入多次采樣，然后再求取平均值。這是經過低通濾波消除作為測量誤差源的噪聲后得出最終結果，截止頻率是由采樣率決定的。例如，LTC6802 采用 2 階增量累加轉換器，以每秒 1k 采樣的固定采樣率工作。結果是對 10kHz 開關噪聲有 36dB 的抑制 (參見圖 3)。不過，缺點是，用 LTC6802 測量 12 節電池需要 13ms 時間，這對某些應用而言太慢了 。然而，對于在有噪聲的真實世界中實現準確的電池測量而言，采用增量累加轉換器仍然是最實用的方法。由于這個原因，凌力爾特一直在持續改進其增量累加方法。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 個可選截止頻率。結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 290µs 時間測量所有 12 節電池。
圖 3：LTC6802 增量累加轉換器與帶 RC 電路的 SAR 轉換器對比 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 增量累加轉換器 FILTER GAIN：濾波器增益 FREQUENCY：頻率 最后，有趣值得一提的是，多節電池監視器的功能是如何擴展的。正如之前提到的那樣，多節電池監視器的主要任務是準確地測量電池電壓，并將所測得的電壓值傳送給主處理器。此外，多節電池監視器最好不包括內部軟件，因為內部軟件可能與系統級電池管理存在沖突。從所有電池收集數據并決定充電狀態或健康狀態的任務應該由主 BMS 處理器完成。不過，多節電池監視器位于電池系統中最關鍵的位置，直接連接至電池。這里是監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系起來的理想位置。由于這個原因，所以多節電池監視器可以作為 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，可作為數字輸入、數字輸出、或作為模擬輸入工作。當作為模擬輸入工作時，LTC6811 能夠以與電池測量相同的測量準確度，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 節電池的整個電池組之電壓同步到電池電壓測量值中。另外，通用 I/O 還可以以數字模式使用，以控制 I2C 或 SPI 從屬器件。這使 LTC6811 能夠控制更復雜的功能，例如控制多路復用器以增加模擬輸入或 EEPROM 以存儲校準信息。 LTC6811 提供先進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 包含內部被動平衡 FET，可使個別電池放電，或直接地控制較大的外部大功率 FET。LTC6811 能夠配置每節電池的放電引腳，以使每節電池以獨立的周期工作。這使得在多節電池監視器未運行時，能夠在很長的周期中單獨地平衡每一節電池的容量。最后，每個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尤其有用，在這種情況下，可以控制有源平衡，而且可以監視每一節獨立電池的電流和溫度。 為了集成所有這些功能并縮短開發時間，凌力爾特的 Linduino™ One (參見圖 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。這個平臺有內置自引導程序，可快速實現在電路的固件更新，是一款簡便、穩定的硬件開發平臺。既然 Arduino 是開源平臺，那么 BMS 設計師就可以非常容易地使用簡便和強大的 Arduino 集成開發環境 (IDE)。稱為 bmsSketchbook 的代碼庫為 LTC6811 提供了代碼示例，該示例可在任何標準 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，運行自測試、冗余測試功能，并控制被動平衡功能。
圖 5：Linduino 開發系統 結論 自 2008 年，凌力爾特已經推出了 4 代多節電池監視器。這些器件的安全特色、準確度和功能在過去這些年中已經發生了很大變化，這說明這些 IC 在高性能電池管理領域的重要性與日俱增。此外，無論用于什么樣的最終應用，新的工具都使這些器件集成到電池管理系統中的過程得到了簡化和標準化。凌力爾特最先進的多節電池監視器 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。
圖 6：凌力爾特的 LTC6811：第四代多節電池監視器 |
