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第四代高压电池组监视器使电池电源管理更加先进

凌力尔特公司?? 2016年05月04日 ?? 收藏0
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
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
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
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
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
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。


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