【導(dǎo)讀】如果希望鋰離子電池在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可靠工作，就需要非常謹(jǐn)慎地對(duì)待它。這類電池不能在其充電狀態(tài)(SOC)的極限上運(yùn)行。隨著時(shí)間推移和不斷使用，鋰離子電池的容量會(huì)下降并出現(xiàn)偏離，因此必須管理系統(tǒng)中的每一節(jié)電池，以保持所有電池都處于限定的SOC范圍之內(nèi)。
為了給車輛提供充足的電力，需要數(shù)十或數(shù)百節(jié)電池。這些電池配置成一長(zhǎng)串，提供高達(dá) 1000V 甚至更高的電壓。電池管理電子電路必須在這種電壓非常高的環(huán)境中運(yùn)行，并抑制共模電壓效應(yīng)，同時(shí)差異化地測(cè)量和控制電池串中的每一節(jié)電池。電池管理電子電路必須能夠?qū)?lái)自電池組的信息傳送到一個(gè)中心點(diǎn)，以對(duì)其進(jìn)行處理。
此外，在車輛或其他大功率應(yīng)用中使用高壓電池組以后，會(huì)伴隨出現(xiàn)一些棘手的情況，例如工作時(shí)電氣噪聲非常大，溫度范圍非常寬。人們希望電池管理電子電路可最大限度地?cái)U(kuò)大工作范圍、延長(zhǎng)壽命、提高安全性和可靠性，同時(shí)最大限度降低成本、減小尺寸和重量。
2008 年，凌力爾特宣布推出首款高性能多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器 LTC6802。其主要特色包括：以 0.25% 的最大總體測(cè)量誤差、在 13ms 內(nèi)測(cè)量多達(dá) 12 節(jié)鋰離子電池；很多 LTC6802 IC 可以串聯(lián)連接，以同時(shí)監(jiān)視很長(zhǎng)的高壓電池串中的所有電池。多年來(lái)，凌力爾特不斷改進(jìn) LTC6802，提供了很多新的版本。所有這些版本都是為了在混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型汽車 (HEV)、電動(dòng)汽車 (EV) 以及針對(duì)其他高壓、大功率電池組提供精確的電池管理。
最先進(jìn)的高壓電池組監(jiān)視器
LTC6811 是凌力爾特公司最新的多節(jié)電池之電池組監(jiān)視器，采用了超級(jí)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)、高壓多路復(fù)用器、16 位增量累加 ADC 和 1Mbps 隔離式串行接口。LTC6811 以好于 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。憑借 8 個(gè)可編程 3 階低通濾波器，LTC6811 可非常出色地降低噪聲。在最快速 ADC 模式，可在 290μs 內(nèi)完成全部電池的測(cè)量。
通過(guò)凌力爾特公司專有的兩線 isoSPI 接口，多個(gè) LTC6811 可以互連并同時(shí)工作。每個(gè) LTC6811 都集成了 isoSPI 接口，以直至 1Mbps 都能提供很高的抗 RF 噪聲性能，并在僅用雙絞線的情況，允許使用長(zhǎng)達(dá) 100 米的電纜。LTC6811 提供兩種通信選擇：使用 LTC6811-1 時(shí)，以菊花鏈方式連接多個(gè)器件，所有器件都連至一個(gè)主處理器；使用 LTC6811-2 時(shí)，多個(gè)器件并聯(lián)連接至主處理器，每個(gè)器件是單獨(dú)尋址的。
LTC6811 為在 -40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)工作做了全面規(guī)定。該器件是面向 ISO 26262 (ASIL) 兼容系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，通過(guò)其冗余電壓基準(zhǔn)、邏輯測(cè)試電路、交叉通道測(cè)試、開路檢測(cè)功能、看門狗定時(shí)器和串行接口數(shù)據(jù)包差錯(cuò)檢驗(yàn)，提供了非常大的容錯(cuò)范圍。就采用凌力爾特 LTC6804 的現(xiàn)有設(shè)計(jì)而言，LTC6811 是一款引腳兼容型替代產(chǎn)品，且具備額外的濾波器截止頻率、額外的被動(dòng)和主動(dòng)平衡控制功能、新的 ADC 命令以及額外的容錯(cuò)范圍以保證功能安全性。
圖1: 多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器
ISO 26262 和功能安全性
LTC6811 可用來(lái)實(shí)現(xiàn)具備以下特點(diǎn)的系統(tǒng)：具備高可靠性、高穩(wěn)定性和高測(cè)量準(zhǔn)確度，將在高壓、極端溫度、熱插拔和具電氣噪聲的環(huán)境中運(yùn)行很多年。LTC6811 還支持 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)所定義的汽車的功能安全性。ISO 26262 系統(tǒng)化地應(yīng)對(duì)了汽車中的電子和電氣系統(tǒng)故障引起的潛在危險(xiǎn)。這就要求系統(tǒng)必須不斷確認(rèn)關(guān)鍵電子電路處于正常運(yùn)行狀態(tài)，例如電池電壓測(cè)量電子電路。為了做到這一點(diǎn)，LTC6811 提供廣泛的內(nèi)部診斷功能，以驗(yàn)證這類電子電路是否正常運(yùn)行：
電池和監(jiān)視器之間的開路檢測(cè)
輔助電壓基準(zhǔn)以確認(rèn)主基準(zhǔn)準(zhǔn)確度在 ±5mV 之內(nèi)
對(duì) 12 節(jié)電池組成的電池組進(jìn)行電壓測(cè)量，確認(rèn)電池測(cè)量準(zhǔn)確度在 ±0.25% 之內(nèi)
雙通道測(cè)量以確認(rèn)多路復(fù)用器和 ADC 準(zhǔn)確度在 0.01% 之內(nèi)
同時(shí)進(jìn)行雙濾波器測(cè)量以確認(rèn)濾波器正常工作
內(nèi)部電源電壓測(cè)量
存儲(chǔ)器自測(cè)試
利用通用 I/O，通過(guò)傳感器和外部器件進(jìn)行冗余監(jiān)視
準(zhǔn)確度
為了實(shí)現(xiàn)卓越的準(zhǔn)確度，LTC6811 采用了一個(gè)專用掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)隨時(shí)間和工作條件變化，提供出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。結(jié)果是，LTC6811 能夠以不到 1.2mV 的誤差測(cè)量所有電池。
圖2：掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)的出色溫度漂移性能
此外，即使在有噪聲情況下，LTC6811 也可通過(guò)濾除電池電壓上的噪聲，確保出色的測(cè)量準(zhǔn)確度。這是通過(guò)使用增量累加 ADC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。使用增量累加轉(zhuǎn)換器時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間會(huì)對(duì)輸入多次采樣，然后進(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)截止頻率是按照采樣率建立的。LTC6811 采用快速 3 階增量累加 ADC，該 ADC 具可編程采樣率，提供 8 個(gè)可選截止頻率。結(jié)果是，出色地降低了噪聲，還得到了 8 種可編程測(cè)量速率，從而允許在短短 290μs 時(shí)間內(nèi)完成對(duì) 12 節(jié)電池的測(cè)量。
圖3：LTC6811 增量累加轉(zhuǎn)換器
更多功能
LTC6811 被設(shè)計(jì)以在電池系統(tǒng)中最關(guān)鍵的位置上工作，直接連接到電池。這個(gè)位置處于 BMS 微處理器和外部設(shè)備之間，因此 LTC6811 可以監(jiān)視電池傳感器，獲得電池電流或溫度等數(shù)值，并顯示這些值與電池測(cè)量值之間的密切相關(guān)性。LTC6811 在這個(gè)位置上有幾種發(fā)揮作用的方式。
LTC6811 提供非常靈活的通用 I/O，可作為數(shù)字輸入、數(shù)字輸出或模擬輸入工作。當(dāng)作為模擬輸入工作時(shí)，LTC6811 可測(cè)量從 V- 至 5V 的任何電壓，測(cè)量準(zhǔn)確度與測(cè)量電池時(shí)相同。此外，LTC6811 允許電池測(cè)量與這些外部信號(hào)同步，或與包含 12 節(jié)電池的電池組電壓同步。LTC6811 還具備一種內(nèi)置功能，即通過(guò)數(shù)字 I/O 控制 I2C 或 SPI 從屬器件。這使 LTC6811 能夠控制更加復(fù)雜的功能，例如控制多路復(fù)用器以增加模擬輸入，或控制 EEPROM 以存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息。
LTC6811 有內(nèi)部被動(dòng)平衡 FET，可給單獨(dú)的電池放電，或直接控制更大的大功率外部 FET。LTC6811 可配置為在低功率狀態(tài)給電池放電，例如當(dāng)電池包處于靜態(tài)時(shí)。此外，每節(jié)電池的放電輸出都可以在獨(dú)立的時(shí)間段內(nèi)接通。這就使得當(dāng)電池監(jiān)視器未激活時(shí)，電池能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持平衡。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，在失配電池組成的電池組中，可用來(lái)恢復(fù)多于 99% 的容量。通過(guò) LTC6811 SPI 主控功能，LTC6811 可以連至凌力爾特基于 SPI 的主動(dòng)平衡 IC LTC3330。LTC3300 是一款故障保護(hù)控制器 IC，用于實(shí)現(xiàn)雙向主動(dòng)平衡，可向 12 節(jié)或更多相連電池高效傳送電荷，或?qū)⑦@些電池的電荷傳送出去。
圖4：具主動(dòng)平衡的電池組監(jiān)視器
LINDUINO ONE
為方便集成 LTC6811 的功能并縮短開發(fā)時(shí)間，凌力爾特新的 Linduino? One 為 LTC6811 提供了全面支持。Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容的微控制器電路板，與 USB 完全隔離，直接連至 LTC6811 演示電路板。這個(gè)平臺(tái)具備內(nèi)置引導(dǎo)程序，可快速在線更新固件，是一款簡(jiǎn)便、穩(wěn)定的硬件開發(fā)平臺(tái)。因?yàn)?Arduino 是一款開源平臺(tái)，BMS 設(shè)計(jì)師可非常容易地訪問(wèn)簡(jiǎn)便和強(qiáng)大的 Arduino 集成式開發(fā)環(huán)境 (IDE)。名為 bmsSketchbook 的代碼庫(kù)提供 LTC6811 示例代碼，用來(lái)在任何標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器中進(jìn)行編譯。例如，bmsSketchbook 包括很多例程，包括讀寫配置值、讀寫電池電壓、運(yùn)行自測(cè)試、運(yùn)行冗余測(cè)試、以及控制被動(dòng)平衡。
圖5：Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容的微控制器電路板，與 USB 完全隔離并直接連至 LTC6811
總結(jié)
凌力爾特的 LTC6811 是第四代高性能多節(jié)電池監(jiān)視器。LTC6811 與其前一代 LTC6804 是引腳兼容和軟件兼容的。與 LTC6804 相比，LTC6811 成本更低，提供額外的濾波器截止頻率、額外的被動(dòng)和主動(dòng)平衡控制功能、新的 ADC 命令以及額外的容錯(cuò)范圍以保證功能安全性。LTC6811 還得到了凌力爾特 Linduino One 的全面支持，以方便評(píng)估和開發(fā)工作。
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