概述

在要求嚴(yán)格的電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合型 / 電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 市場(chǎng)的促進(jìn)下，以及在附屬的備份、便攜式儲(chǔ)能設(shè)備等市場(chǎng)的進(jìn)一步推動(dòng)下，出現(xiàn)了很多技術(shù)進(jìn)步，因此大型電池供電的能量系統(tǒng)¹得到了一定的采用上升速度。電池和電池化學(xué)組成的創(chuàng)新已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，然而，最先進(jìn)的電池需要細(xì)致的監(jiān)視和控制，以保持大容量、長(zhǎng)壽命和安全性。此外，要支持?jǐn)?shù)千瓦功率的系統(tǒng)，必須串聯(lián)連接幾十或數(shù)百個(gè)單獨(dú)的電池。因此，盡管系統(tǒng)可以將電池組看成是單個(gè)電源，但是每節(jié)單獨(dú)的電池必須得到仔細(xì)的管理。由于這個(gè)原因，只有運(yùn)用尖端的電池管理電子產(chǎn)品，才有可能使用大型先進(jìn)的電池包。

充當(dāng)電池管理器時(shí)，電池管理電子產(chǎn)品有 3 個(gè)重要任務(wù)。第一，監(jiān)視每節(jié)電池的健康狀態(tài) (State-of-Health ― SOH)，電池的健康狀態(tài)通常通過(guò)監(jiān)視電池的電壓、電流、溫度和運(yùn)行歷史來(lái)確定。第二，通過(guò)控制系統(tǒng)中每節(jié)電池的充電、放電和容量平衡²，控制每節(jié)電池的充電狀態(tài) (SOC)。第三，不斷確認(rèn)自身處于正常運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)椴豢山邮艿氖牵娮赢a(chǎn)品漏掉一個(gè)可能是異常的電池狀況而沒(méi)有通知系統(tǒng)。這最后一個(gè)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)功能安全性的關(guān)鍵因素。

很多年前，凌力爾特公司就認(rèn)識(shí)到，電池管理給電子產(chǎn)品帶來(lái)了艱巨挑戰(zhàn)，因此開(kāi)發(fā)了一系列稱為多節(jié)電池組監(jiān)視器的集成電路。電池組監(jiān)視器直接連接到一組串聯(lián)連接的電池上，其主要功能是測(cè)量每節(jié)電池的電壓，不過(guò)電池組監(jiān)視器已經(jīng)逐步發(fā)展成為包括了一套日益增加的功能。多個(gè)電池組監(jiān)視器可以連接到一起，以便監(jiān)視非常長(zhǎng)的高壓電池串。

凌力爾特公司開(kāi)發(fā)的第一個(gè)電池組監(jiān)視器是 LTC6802，該器件能夠以 0.25% 的最大總體測(cè)量誤差、在13ms 內(nèi)對(duì)多達(dá) 12 節(jié)鋰離子電池進(jìn)行測(cè)量。很多 LTC6802 器件可以串聯(lián)連接，以同時(shí)監(jiān)視非常長(zhǎng)的高壓電池串中之每一節(jié)電池 (圖 1)。在 LTC6802 之后，凌力爾特又開(kāi)發(fā)了 LTC6803、LTC6804 和現(xiàn)在最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器 LTC6811。

圖 1：多節(jié)電池監(jiān)視器的基本功能

先進(jìn)的高壓電池組監(jiān)視器

LTC6811 包含一個(gè)超穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)、高壓多路轉(zhuǎn)換器、16 位增量累加 ADC 和一個(gè) 1Mbps 隔離式串行接口。LTC6811 以高于 0.04% 的準(zhǔn)確度測(cè)量多達(dá) 12 節(jié)串聯(lián)連接電池的電壓。通過(guò)設(shè)置 8 個(gè)可編程 3 階低通濾波器，LTC6811 可出色地降低噪聲。在最快速 ADC 模式，所有電池都可以在 290µs 之內(nèi)完成測(cè)量。

運(yùn)用凌力爾特專有的兩線 isoSPI™ 接口，多個(gè) LTC6811 可以互連并同時(shí)運(yùn)行。isoSPI 接口集成到所有 LTC6811 中，僅使用雙絞線對(duì)，就可在速率高達(dá) 1Mbps 和電纜長(zhǎng)達(dá) 100 米時(shí)，提供很高的抗 RF 噪聲性能。該器件有兩種通信選擇。使用 LTC6811-1 時(shí)，多個(gè)器件以菊花鏈方式連接，一個(gè)主處理器連接所有器件。使用 LTC6811-2 時(shí)，多個(gè)器件并聯(lián)連接到主處理器，每個(gè)器件單獨(dú)尋址。

準(zhǔn)確的電池電壓測(cè)量

確定電池健康狀態(tài)的基礎(chǔ)是非常準(zhǔn)確的電池電壓測(cè)量。電池組監(jiān)視器從電池組的一頭到另一頭，以不同的共模電壓進(jìn)行差分電池電壓測(cè)量。這就要求精確的多路轉(zhuǎn)換和模擬轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確度最終由內(nèi)部電壓基準(zhǔn)決定。為了實(shí)現(xiàn)卓越的準(zhǔn)確度，LTC6811 采用了一個(gè)專用的掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。在 PCB 安裝完畢后，隨溫度、濕度、時(shí)間和工作條件變化，掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)提供了卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 (圖 2)。結(jié)果是，LTC6811 能夠以少于 1.2mV 的誤差測(cè)量所有電池。

圖 2：掩埋齊納電壓基準(zhǔn)提供卓越的溫度漂移性能

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度是一回事。在存在電子噪聲的電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度完全是另一回事。即使存在噪聲時(shí)，通過(guò)運(yùn)用增量累加 ADC 轉(zhuǎn)換器，在 LTC6811 內(nèi)部濾除電池電壓噪聲， LTC6811 也能夠確保卓越的測(cè)量準(zhǔn)確度 (圖 3)。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，用增量累加轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行多次采樣，然后再進(jìn)行數(shù)字濾波。結(jié)果是，內(nèi)置低通濾波消除了作為測(cè)量誤差源的噪聲，這時(shí)截止頻率是由采樣率確定的。LTC6811 采用一個(gè)具可編程采樣率和 8 個(gè)可選截止頻率的快速 3 階增量累加 ADC。結(jié)果是出色地降低了噪聲，并提供 8 種可編程測(cè)量速率，從而能夠在短至 290µs 的時(shí)間內(nèi)完成全部 12 節(jié)電池的測(cè)量。

圖 3：LTC6811 增量累加轉(zhuǎn)換器

關(guān)聯(lián)測(cè)量

由于可以直接連接電池，所以對(duì)收集電池電壓測(cè)量值以及關(guān)聯(lián)電池電壓測(cè)量值與溫度和電流而言，LTC6811 具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)其通用 I/O (GPIO)，LTC6811 可將外部傳感器測(cè)量值多路轉(zhuǎn)換至電池電壓采樣系統(tǒng)。LTC6811 內(nèi)部的特定命令自動(dòng)地處理這種同步功能，從而可在 208μs 內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步。除了測(cè)量模擬輸入，LTC6811 GPIO 還可作為數(shù)字輸入和輸出運(yùn)行，或者用來(lái)控制 I²C 或 SPI 從屬器件。這就使 LTC6811 能夠連接更加復(fù)雜的功能，例如用來(lái)擴(kuò)展模擬輸入的多路復(fù)用器或存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息的 EEPROM。

個(gè)別電池的容量平衡

為了單獨(dú)控制每節(jié)電池的充電情況，LTC6811 采用了內(nèi)部被動(dòng)平衡 FET，該 FET 可對(duì)個(gè)別電池放電，或直接控制更大的大功率外部 FET。即使個(gè)別電池接近其最大 SOC 時(shí)，這種平衡功能也使電池包級(jí)充電器能夠繼續(xù)充電。此外，在低功率狀態(tài)時(shí)，LTC6811 可配置為給電池放電，每節(jié)電池的放電輸出量均可獨(dú)立設(shè)定。這就能夠在電池監(jiān)視器未啟動(dòng)時(shí)，例如在汽車(chē)停車(chē)時(shí)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的容量平衡。這些平衡引腳還可以作為串行接口使用，以控制凌力爾特的 LT8584 主動(dòng)平衡電路。LT8584 是一款單片反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在電池容量失配的電池組中，允許高于 99% 的容量恢復(fù) (圖 4)。運(yùn)用 LTC6811 SPI 主器件功能，LTC6811 還可以連接凌力爾特基于 SPI 的主動(dòng)平衡 IC LTC3300。LTC3300 是一款針對(duì)故障提供保護(hù)的控制器 IC，用于實(shí)現(xiàn)雙向主動(dòng)平衡，可以向或從 12 節(jié)或更多相鄰電池高效率傳送電荷。

圖 4：具主動(dòng)平衡的 12 節(jié)電池組監(jiān)視器

功能安全性

在電子產(chǎn)品和高能量電池系統(tǒng)應(yīng)用的快速擴(kuò)展中，人們正確地將精力集中在了解決電子產(chǎn)品的功能安全性上。ISO 26262 國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)化地解決了汽車(chē)中由電子和電氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)失靈導(dǎo)致的潛在危險(xiǎn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)要不斷確認(rèn)關(guān)鍵電子產(chǎn)品處于正常運(yùn)行狀態(tài)，例如用于電池電壓測(cè)量的電子產(chǎn)品。不正確的讀數(shù)可能導(dǎo)致過(guò)度放電和電池劣化，或者導(dǎo)致過(guò)度充電，引起電池?fù)p壞或更加嚴(yán)重的后果。

LTC6811 滿足 ISO 26262 的要求，提供廣泛的內(nèi)部診斷功能，可驗(yàn)證是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，包括：

檢測(cè)電池和監(jiān)視器之間連線是否開(kāi)路

用輔助電壓基準(zhǔn)確認(rèn)主基準(zhǔn)準(zhǔn)確度在 ±5mV 以內(nèi)

測(cè)量由 12 節(jié)電池組成的電池組之電壓，確認(rèn)電池測(cè)量準(zhǔn)確度在 ±0.25% 以內(nèi)

進(jìn)行雙通道測(cè)量，確認(rèn)多路轉(zhuǎn)換器和 ADC 準(zhǔn)確度在 0.01% 以內(nèi)

同時(shí)進(jìn)行雙濾波器測(cè)量以確認(rèn)濾波器運(yùn)行

測(cè)量?jī)?nèi)部電源電壓

存儲(chǔ)器自測(cè)試

運(yùn)用通用 I/O，通過(guò)傳感器和外部器件進(jìn)行冗余監(jiān)視

串行接口上 15 位數(shù)據(jù)包誤碼

總結(jié)

毫無(wú)疑問(wèn)，隨著電動(dòng)汽車(chē)和混合型 / 電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，先進(jìn)的高能量電池系統(tǒng)的使用也將繼續(xù)增長(zhǎng)。隨著創(chuàng)新的出現(xiàn)，這類系統(tǒng)的機(jī)會(huì)顯著增加了，而電池管理電子產(chǎn)品是這種系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。盡管最終用戶可能只看到一盒子電池，但是工程師們知道，每一節(jié)電池都必須仔細(xì)管理，以最大限度擴(kuò)大運(yùn)行范圍、延長(zhǎng)壽命、提高安全性和可靠性。

¹ 特斯拉汽車(chē)公司擬議中的 Powerwall 說(shuō)明，大型高能量電池系統(tǒng)有非常真實(shí)的潛力。

² 容量平衡指的是，按照需要增加或去掉個(gè)別電池中的電荷，以使電池處于可控的 SOC 范圍。