第四代高压电池组监视器使电池电源管理更加先进

概述

如果希望锂离子电池在长时间内可靠工作，就需要非常谨慎地对待它。这类电池不能在其充电状态 (SOC) 的极限上运行。随着时间推移和不断使用，锂离子电池的容量会下降并出现偏离，因此必须管理系统中的每一节电池，以保持所有电池都处于限定的 SOC 范围之内。

为了给车辆提供充足的电力，需要数十或数百节电池。这些电池配置成一长串，提供高达 1000V 甚至更高的电压。电池管理电子电路必须在这种电压非常高的环境中运行，并抑制共模电压效应，同时差异化地测量和控制电池串中的每一节电池。电池管理电子电路必须能够将来自电池组的信息传送到一个中心点，以对其进行处理。

此外，在车辆或其他大功率应用中使用高压电池组以后，会伴随出现一些棘手的情况，例如工作时电气噪声非常大，温度范围非常宽。人们希望电池管理电子电路可最大限度地扩大工作范围、延长寿命、提高安全性和可靠性，同时最大限度降低成本、减小尺寸和重量。

2008 年，凌力尔特宣布推出首款高性能多节电池的电池组监视器 LTC6802。其主要特色包括：以 0.25% 的最大总体测量误差、在 13ms 内测量多达 12 节锂离子电池；很多 LTC6802 IC 可以串联连接，以同时监视很长的高压电池串中的所有电池。多年来，凌力尔特不断改进 LTC6802，提供了很多新的版本。所有这些版本都是为了在混合动力 / 电动型汽车 (HEV)、电动汽车 (EV) 以及针对其他高压、大功率电池组提供精确的电池管理。

最先进的高压电池组监视器

LTC6811 是凌力尔特公司最新的多节电池之电池组监视器，采用了超级稳定的电压基准、高压多路复用器、16 位增量累加 ADC 和 1Mbps 隔离式串行接口。LTC6811 以好于 0.04% 的准确度测量多达 12 节串联连接电池的电压。凭借 8 个可编程 3 阶低通滤波器，LTC6811 可非常出色地降低噪声。在最快速 ADC 模式，可在  290μs 内完成全部电池的测量。

通过凌力尔特公司专有的两线 isoSPI 接口，多个 LTC6811 可以互连并同时工作。每个 LTC6811 都集成了 isoSPI 接口，以直至 1Mbps 都能提供很高的抗 RF 噪声性能，并在仅用双绞线的情况，允许使用长达 100 米的电缆。LTC6811 提供两种通信选择：使用 LTC6811-1 时，以菊花链方式连接多个器件，所有器件都连至一个主处理器；使用 LTC6811-2 时，多个器件并联连接至主处理器，每个器件是单独寻址的。

LTC6811 为在 -40°C 至 125°C 温度范围内工作做了全面规定。该器件是面向 ISO 26262 (ASIL) 兼容系统设计的，通过其冗余电压基准、逻辑测试电路、交叉通道测试、开路检测功能、看门狗定时器和串行接口数据包差错检验，提供了非常大的容错范围。就采用凌力尔特 LTC6804 的现有设计而言，LTC6811 是一款引脚兼容型替代产品，且具备额外的滤波器截止频率、额外的被动和主动平衡控制功能、新的 ADC 命令以及额外的容错范围以保证功能安全性。


图1: 多节电池的电池组监视器

ISO 26262 和功能安全性

LTC6811 可用来实现具备以下特点的系统：具备高可靠性、高稳定性和高测量准确度，将在高压、极端温度、热插拔和具电气噪声的环境中运行很多年。LTC6811 还支持 ISO 26262 标准所定义的汽车的功能安全性。ISO 26262 系统化地应对了汽车中的电子和电气系统故障引起的潜在危险。这就要求系统必须不断确认关键电子电路处于正常运行状态，例如电池电压测量电子电路。为了做到这一点，LTC6811 提供广泛的内部诊断功能，以验证这类电子电路是否正常运行：

●电池和监视器之间的开路检测
●辅助电压基准以确认主基准准确度在 ±5mV 之内
●对 12 节电池组成的电池组进行电压测量，确认电池测量准确度在 ±0.25% 之内
●双通道测量以确认多路复用器和 ADC 准确度在 0.01% 之内
●同时进行双滤波器测量以确认滤波器正常工作
●内部电源电压测量
●存储器自测试
●利用通用 I/O，通过传感器和外部器件进行冗余监视

准确度

为了实现卓越的准确度，LTC6811 采用了一个专用掩埋式齐纳电压基准。掩埋式齐纳电压基准随时间和工作条件变化，提供出色的长期稳定性和准确度。结果是，LTC6811 能够以不到 1.2mV 的误差测量所有电池。


图2：掩埋式齐纳电压基准的出色温度漂移性能

此外，即使在有噪声情况下，LTC6811 也可通过滤除电池电压上的噪声，确保出色的测量准确度。这是通过使用增量累加 ADC 转换器实现的。使用增量累加转换器时，在转换期间会对输入多次采样，然后进行数字滤波。结果是，内置低通滤波消除了作为测量误差源的噪声，这时截止频率是按照采样率建立的。LTC6811 采用快速 3 阶增量累加 ADC，该 ADC 具可编程采样率，提供 8 个可选截止频率。结果是，出色地降低了噪声，还得到了 8 种可编程测量速率，从而允许在短短 290μs 时间内完成对 12 节电池的测量。


图3：LTC6811 增量累加转换器

更多功能

LTC6811 被设计以在电池系统中最关键的位置上工作，直接连接到电池。这个位置处于 BMS 微处理器和外部设备之间，因此 LTC6811 可以监视电池传感器，获得电池电流或温度等数值，并显示这些值与电池测量值之间的密切相关性。LTC6811 在这个位置上有几种发挥作用的方式。

LTC6811 提供非常灵活的通用 I/O，可作为数字输入、数字输出或模拟输入工作。当作为模拟输入工作时，LTC6811 可测量从 V- 至 5V 的任何电压，测量准确度与测量电池时相同。此外，LTC6811 允许电池测量与这些外部信号同步，或与包含 12 节电池的电池组电压同步。LTC6811 还具备一种内置功能，即通过数字 I/O 控制 I2C 或 SPI 从属器件。这使 LTC6811 能够控制更加复杂的功能，例如控制多路复用器以增加模拟输入，或控制 EEPROM 以存储校准信息。

LTC6811 有内部被动平衡 FET，可给单独的电池放电，或直接控制更大的大功率外部 FET。LTC6811 可配置为在低功率状态给电池放电，例如当电池包处于静态时。此外，每节电池的放电输出都可以在独立的时间段内接通。这就使得当电池监视器未激活时，电池能够在长时间内保持平衡。这些平衡引脚还可以作为串行接口使用，以控制凌力尔特的 LT8584 主动平衡电路。LT8584 是一款单片反激式 DC/DC 转换器，在失配电池组成的电池组中，可用来恢复多于 99% 的容量。通过 LTC6811 SPI 主控功能，LTC6811 可以连至凌力尔特基于 SPI 的主动平衡 IC LTC3330。LTC3300 是一款故障保护控制器 IC，用于实现双向主动平衡，可向 12 节或更多相连电池高效传送电荷，或将这些电池的电荷传送出去。


图4：具主动平衡的电池组监视器

LINDUINO ONE

为方便集成 LTC6811 的功能并缩短开发时间，凌力尔特新的 Linduino One 为 LTC6811 提供了全面支持。Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容的微控制器电路板，与 USB 完全隔离，直接连至 LTC6811 演示电路板。这个平台具备内置引导程序，可快速在线更新固件，是一款简便、稳定的硬件开发平台。因为 Arduino 是一款开源平台，BMS 设计师可非常容易地访问简便和强大的 Arduino 集成式开发环境 (IDE)。名为 bmsSketchbook 的代码库提供 LTC6811 示例代码，用来在任何标准 C 编译器中进行编译。例如，bmsSketchbook 包括很多例程，包括读写配置值、读写电池电压、运行自测试、运行冗余测试、以及控制被动平衡。


图5：Linduino One 是一款 Arduino Uno 兼容的微控制器电路板，与 USB 完全隔离并直接连至 LTC6811

总结

凌力尔特的 LTC6811 是第四代高性能多节电池监视器。LTC6811 与其前一代 LTC6804 是引脚兼容和软件兼容的。与 LTC6804 相比，LTC6811 成本更低，提供额外的滤波器截止频率、额外的被动和主动平衡控制功能、新的 ADC 命令以及额外的容错范围以保证功能安全性。LTC6811 还得到了凌力尔特 Linduino One 的全面支持，以方便评估和开发工作。