低壓電池監(jiān)控器進(jìn)入高壓電動(dòng)汽車

作者：Christopher Gobok ADI 公司混合信號(hào)產(chǎn)品部門的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷工程師

電動(dòng)汽車

如果您尚未駕駛過(guò)電動(dòng)汽車（EV），包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和全電動(dòng)汽車，那么很可能您就快要開(kāi)上了。里程焦慮已成為過(guò)去。現(xiàn)在，您可以幫助保護(hù)環(huán)境，而不必?fù)?dān)心陷在其中。世界各地的政府都提供了慷慨的財(cái)政激勵(lì)措施以抵消電動(dòng)汽車的高價(jià)，希望能夠引導(dǎo)消費(fèi)者不購(gòu)買內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。有些政府已采取措施強(qiáng)制汽車制造商制造和銷售電動(dòng)汽車，希望市場(chǎng)最終由電動(dòng)汽車主導(dǎo)，而有些政府則制定了更明確的目標(biāo)。例如，德國(guó)已經(jīng)努力推動(dòng)在2030年之前禁止ICE汽車。

在汽車的大部分歷史中，創(chuàng)新一直聚焦于提供舒適的用戶體驗(yàn)，提高ICE的燃油燃燒效率，以及使排放物更清潔。然而，ICE汽車的最近創(chuàng)新的絕大部分是電子技術(shù)進(jìn)步的直接結(jié)果，包括底盤系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、信息娛樂(lè)和安全系統(tǒng)的改進(jìn)。EV的許多電子系統(tǒng)與ICE車輛相同，當(dāng)然還有傳動(dòng)系統(tǒng)本身。根據(jù)Micron Technology的數(shù)據(jù)，電動(dòng)汽車價(jià)值中的電子部分高達(dá)75%，隨著半導(dǎo)體技術(shù)持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致各種電子模塊和子系統(tǒng)的成本不斷降低，該部分的價(jià)值會(huì)越來(lái)越高。甚至非傳統(tǒng)的汽車玩家，例如Intel?，也要分一杯羹。

毫不奇怪，在電動(dòng)汽車的所有電子子系統(tǒng)中，制造商和消費(fèi)者都特別關(guān)注電動(dòng)汽車的心臟——電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身——鋰離子（Li-Ion）電池是當(dāng)前主流——及電池管理系統(tǒng)（BMS），后者旨在較大程度地提高電池使用率和安全性。ADI公司的BMS解決方案是電池監(jiān)控的主流產(chǎn)品。ADI公司通過(guò)豐富的智能BMS IC產(chǎn)品系列來(lái)提升新一代EV BMS設(shè)計(jì)， LTC2949 EV電池組監(jiān)控器是其最新產(chǎn)品。

BMS監(jiān)控

BMS的主要功能是監(jiān)控電池狀態(tài)，對(duì)電動(dòng)汽車而言，就是監(jiān)視超大電池組或電池堆。BMS通常監(jiān)控單個(gè)電芯和電池組的電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）及其他相關(guān)功能，例如冷卻液流量。BMS除了具有明顯的安全和性能優(yōu)勢(shì)外，精確監(jiān)控這些參數(shù)一般還能帶來(lái)更好的駕駛體驗(yàn)，讓駕駛員充分了解電池實(shí)時(shí)狀況。

為了獲致成效，BMS測(cè)量電路（例如新型LTC2949電池組監(jiān)控器）必須精準(zhǔn)快速，具有高共模電壓抑制能力，功耗低，并能與其他器件安全通信。EV BMS的其他任務(wù)包括：將能量回收到電池組中（即再生制動(dòng)），平衡電芯，保護(hù)電池組免受危險(xiǎn)電壓、電流和溫度水平的影響，以及與其他子系統(tǒng)（如充電器、負(fù)載、熱管理、緊急關(guān)停）通信。

汽車制造商使用多種BMS監(jiān)視拓?fù)鋪?lái)滿足其對(duì)準(zhǔn)確性、可靠性、易制造性、成本和功耗的需求。例如，圖1所示的分布式拓?fù)渚哂幸韵峦怀鎏攸c(diǎn)：通過(guò)本地智能實(shí)現(xiàn)高精度，串聯(lián)電池組提供高可制造性，以及通過(guò)低功耗SPI和isoSPI?接口進(jìn)行IC間通信，實(shí)現(xiàn)低功耗和高可靠性。

其中，LTC2949用于低端電流檢測(cè)配置，isoSPI通信線路與底部的電池監(jiān)視器LTC6811-1 并行。為了提高可靠性，可以將第二個(gè)isoSPI收發(fā)器連接到電池組的頂部，創(chuàng)建一個(gè)支持雙向通信的環(huán)形拓?fù)?，從而?shí)現(xiàn)雙通道通信方案。與SPI主控制器的隔離通信通過(guò) LTC6820 isoSPI轉(zhuǎn)SPI信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節(jié)電池監(jiān)控器可用于測(cè)量多達(dá)6、12、15或18節(jié)串聯(lián)電芯各自的電壓，而單個(gè)LTC2949用于測(cè)量總電池堆參數(shù)。LTC681x和LTC2949共同構(gòu)成一個(gè)全面的EV BMS監(jiān)控解決方案；對(duì)有些人來(lái)說(shuō)，該電路的更熟悉名稱是BMS模擬前端（AFE）。

圖1.采用LTC6811-1和LTC2949的分布式EV BMS監(jiān)控拓?fù)洹?/p>

LTC2949專為EV設(shè)計(jì)，是一款高精度電流、電壓、溫度、電荷、功率、電能計(jì)量器件。通過(guò)測(cè)量這些關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就有了必要的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整個(gè)電池堆的實(shí)時(shí)SOC和SOH以及其他品質(zhì)因數(shù)。圖2給出了用在高邊電流檢測(cè)配置中的LTC2949的框圖。這里，LTC2949采用可調(diào)浮動(dòng)拓?fù)?，因而能夠監(jiān)視電壓非常高的電池堆，而不受其自身的14.5 V電壓額定值的束縛。LTC2949的電源通過(guò) LT8301 隔離反激式轉(zhuǎn)換器提供，VCC連接到電池正極。

圖2.高邊電流檢測(cè)配置中LTC2949浮動(dòng)EV電池監(jiān)控器的典型連接。LTC2949的電源由LT8301反激式轉(zhuǎn)換器提供，VCC連接到電池正極。

超越模擬

駕駛員會(huì)喜歡LTC2949的數(shù)字輸出和精度，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)喜歡LTC2949的模擬性能以及將其無(wú)縫集成到幾乎所有EV BMS中的能力。LTC2949的核心是五個(gè)軌到軌、低失調(diào)、Σ-Δ ADC，可確保精確測(cè)量電壓。在這五個(gè)ADC中，兩個(gè)20位ADC可用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)檢測(cè)電阻上的電壓（如圖2所示），并以令人吃驚的0.3%精度推斷出流過(guò)兩個(gè)獨(dú)立電源軌的電流。LTC2949具有小于1 μV的失調(diào)電壓，而且能提供異常高的動(dòng)態(tài)范圍。同樣，電池堆的總電壓測(cè)量可達(dá)18位和0.4%的精度。兩個(gè)專用功率ADC檢測(cè)分流和電池堆電壓輸入，產(chǎn)生精度為0.9%的功率讀數(shù)。最后一個(gè)15位ADC可用來(lái)測(cè)量多達(dá)12個(gè)輔助電壓，方便與外部溫度傳感器或電阻分壓器一起使用。利用內(nèi)置多路復(fù)用器，LTC2949可在12個(gè)緩沖輸入的任何一對(duì)之間以0.4%的精度執(zhí)行差分軌到軌電壓測(cè)量。

為了簡(jiǎn)化設(shè)置，LTC2949的五個(gè)ADC形成三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。每個(gè)通道可以根據(jù)應(yīng)用需要配置為兩種速度之一，如表1所示。例如，可以使用兩個(gè)通道監(jiān)視單個(gè)分流電阻：一個(gè)通道用于慢速（100 ms）高精度電流、功率、電荷和電能測(cè)量；另一個(gè)用于快速（782μs）電流快照，與電池堆電壓測(cè)量同步，以進(jìn)行阻抗跟蹤或預(yù)充電測(cè)量?；蛘?，兩個(gè)獨(dú)立通道監(jiān)視兩個(gè)不同大小的分流電阻（同樣如圖2所示），使得用戶可以平衡每個(gè)分流電阻的精度和功率損耗。同時(shí)，第三個(gè)輔助通道可以對(duì)可選的緩沖輸入進(jìn)行快速測(cè)量，或者對(duì)兩個(gè)可配置輸入（堆電壓、芯片溫度、電源電壓和基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行自動(dòng)輪循（RR）測(cè)量。

表1.LTC2949三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的配置選項(xiàng)

當(dāng)LTC2949的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道中的任何一個(gè)被配置為快速模式（782μs轉(zhuǎn)換時(shí)間和15位分辨率）時(shí)，LTC2949可以將其電池堆電壓和電流測(cè)量與任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)控器的電池電壓測(cè)量同步，以推斷出單個(gè)電芯的阻抗、壽命和SOH。有了這些信息，就可以評(píng)估電池堆壽命，因?yàn)樽钊醯碾娦咀罱K決定整個(gè)電池堆的SOH。

SOH是在電池（或電池堆）生命周期的某一時(shí)刻對(duì)其狀況（相對(duì)于新電池）的測(cè)量，因此使用精確的EV BMS監(jiān)控器很重要，這不僅是為了最大程度地延長(zhǎng)行駛里程，也是為了最大程度地減少電池意外故障。說(shuō)到電池壽命，LTC2949在開(kāi)啟時(shí)僅消耗16 mA電流，而在睡眠時(shí)僅消耗8 μA電流。

數(shù)字優(yōu)勢(shì)

LTC2949的數(shù)字特性包括一個(gè)過(guò)采樣乘法器和累加器，產(chǎn)生18位的功率值和48位的電能與電荷值，報(bào)告最小值和最大值以及基于用戶自定義限值的警報(bào)。這就免除了BMS控制器和總線不斷輪詢LTC2949以獲得電壓和電流數(shù)據(jù)的任務(wù)，而且免除了基于結(jié)果執(zhí)行計(jì)算的額外任務(wù)。LTC2949以過(guò)采樣ADC時(shí)鐘速率（預(yù)抽取濾波器）進(jìn)行功率采樣，而不是乘以平均值，故而在電流和電壓變化遠(yuǎn)超其轉(zhuǎn)換速率的情況下可以準(zhǔn)確測(cè)量功率，信號(hào)頻率最高可達(dá)50kHz。

LTC2949跟蹤電流、電壓、功率和溫度數(shù)據(jù)的最小值和最大值，所以總線和主機(jī)可以將時(shí)鐘周期花在其他任務(wù)上，而不用持續(xù)輪詢LTC2949。除了檢測(cè)并存儲(chǔ)最小值和最大值之外，LTC2949還可以在超出用戶自定義閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，這同樣會(huì)免除主機(jī)控制器和總線的輪詢?nèi)蝿?wù)。在提供指定的電能或電荷量之后，或者經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的時(shí)間量之后，LTC2949也能產(chǎn)生溢出警報(bào)。

為確保監(jiān)控精度，LTC2949提供了多個(gè)可編程增益校正因子來(lái)補(bǔ)償測(cè)量器件的容差：兩個(gè)校正因子用于分流電阻、一個(gè)電池分壓器和四個(gè)多路復(fù)用輸入。這些校正因子可以存儲(chǔ)在外部EEPROM中，支持通過(guò)模塊化方法對(duì)電池組進(jìn)行出廠校準(zhǔn)。此外，LTC2949可以線性化最多兩個(gè)外部NTC熱敏電阻的溫度讀數(shù)，即通過(guò)求解帶可編程系數(shù)的Steinhart-Hart方程；這些讀數(shù)隨后可用于對(duì)分流電阻讀數(shù)進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償。通過(guò)持續(xù)補(bǔ)償容差和溫度影響，不僅可以提高監(jiān)測(cè)精度，而且可以使用成本較低的外部器件。

LTC2949上有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口用于直接連接MCU。另外還有ADI公司專有的isoSPI接口。isoSPI對(duì)標(biāo)準(zhǔn)芯片級(jí)SPI的物理層進(jìn)行了調(diào)適，以充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)高效的分布式電池組架構(gòu)的潛力。isoSPI針對(duì)高電壓和高噪聲系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，可在長(zhǎng)達(dá)100米的電纜上提供高達(dá)1 Mbps的安全可靠的信息傳輸，僅使用單根雙絞線電纜和簡(jiǎn)單的脈沖變壓器。isoSPI還比其他板載隔離解決方案便宜。圖3顯示了LTC2949如何利用isoSPI，其與LTC6811-1一起用作菊花鏈或可尋址并行配置中的最后一個(gè)元件。

圖3.LTC2949 isoSPI配置

結(jié)論

電動(dòng)汽車漸成主流，大規(guī)模應(yīng)用的拐點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注電池和BMS技術(shù)，這些技術(shù)會(huì)深刻影響終端用戶的體驗(yàn)。LTC2949是ADI公司在BMS監(jiān)控領(lǐng)域的最新嘗試，它能輕松應(yīng)對(duì)多種電池堆監(jiān)控拓?fù)浜团渲?。在幾乎任何電壓和任何電流水平下，LTC2949都能實(shí)現(xiàn)高性能、安全、靈活、可靠的電池管理系統(tǒng)。通過(guò)準(zhǔn)確讀取電流、電壓、功率、電能、電荷、溫度和時(shí)間，可以立即獲得對(duì)電池SOH和SOC的精確評(píng)估。LTC2949除具有強(qiáng)大的模擬能力外，還能對(duì)可用數(shù)字輸出進(jìn)行高速處理。關(guān)鍵的最小值、最大值和警報(bào)可以測(cè)量、計(jì)算并通過(guò)魯棒的isoSPI接口報(bào)告給LTC2949。因此，對(duì)主機(jī)資源、總線設(shè)計(jì)和測(cè)試以及軟件設(shè)計(jì)的要求得以降低。該器件的一些數(shù)字特性包括乘法器、累加器、最小值/最大值寄存器、可配置的警報(bào)以及外部器件容差/溫度補(bǔ)償。LTC2949設(shè)計(jì)為獨(dú)立工作或與任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)控器配合使用，在滿足嚴(yán)格的AEC-Q100準(zhǔn)則和ISO 26262安全標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，滿足了對(duì)下一代EV BMS的迫切需求。