鉅大LARGE | 點擊量:935次 | 2020年07月13日
最先進的高壓電池組監視器性能檢測方
假如希望鋰離子電池在長時間內可靠工作,就要非常謹慎地對待它。這類電池不能在其充電狀態(SOC)的極限上運行。隨著時間推移和不斷使用,鋰離子電池的容量會下降并出現偏離,因此必須管理系統中的每一節電池,以保持所有電池都處于限定的SOC范圍之內。
為了給車輛供應充足的電力,要數十或數百節電池。這些電池配置成一長串,供應高達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境中運行,并抑制共模電壓效應,同時差異化地測量和控制電池串中的每一節電池。電池管理電子電路必須能夠將來自電池組的信息傳送到一個中心點,以對其進行處理。
此外,在車輛或其他大功率應用中使用高壓電池組以后,會伴隨出現一些棘手的情況,例如工作時電氣噪聲非常大,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擴大工作范圍、延長壽命、提高安全性和可靠性,同時最大限度降低成本、減小尺寸和重量。
2008年,凌力爾特宣布推出首款高性能多節電池的電池組監視器LTC6802。其重要特色包括:以0.25%的最大總體測量誤差、在13ms內測量多達12節鋰離子電池;很多LTC6802IC可以串聯連接,以同時監視很長的高壓電池串中的所有電池。多年來,凌力爾特不斷改進LTC6802,供應了很多新的版本。所有這些版本都是為了在混合動力/電動型汽車(HEV)、電動汽車(EV)以及針對其他高壓、大功率電池組供應精確的電池管理。
最先進的高壓電池組監視器
LTC6811是凌力爾特公司最新的多節電池之電池組監視器,采用了超級穩定的電壓基準、高壓多路復用器、16位增量累加ADC和1Mbps隔離式串行接口。LTC6811以好于0.04%的準確度測量多達12節串聯連接電池的電壓。憑借8個可編程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內完成全部電池的測量。
通過凌力爾特公司專有的兩線isoSpI接口,多個LTC6811可以互連并同時工作。每個LTC6811都集成了isoSpI接口,以直至1Mbps都能供應很高的抗RF噪聲性能,并在僅用雙絞線的情況,允許使用長達100米的電纜。LTC6811供應兩種通信選擇:使用LTC6811-1時,以菊花鏈方式連接多個器件,所有器件都連至一個主處理器;使用LTC6811-2時,多個器件并聯連接至主處理器,每個器件是單獨尋址的。
LTC6811為在-40°C至125°C溫度范圍內工作做了全面規定。該器件是面向ISO26262(ASIL)兼容系統設計的,通過其冗余電壓基準、邏輯測試電路、交叉通道測試、開路檢測功能、看門狗按時器和串行接口數據包差錯檢驗,供應了非常大的容錯范圍。就采用凌力爾特LTC6804的現有設計而言,LTC6811是一款引腳兼容型替代產品,且具備額外的濾波器截止頻率、額外的被動和主動平衡控制功能、新的ADC命令以及額外的容錯范圍以保證功能安全性。
圖1:多節電池的電池組監視器
ISO26262和功能安全性
LTC6811可用來實現具備以下特點的系統:具備高可靠性、高穩定性和高測量準確度,將在高壓、極端溫度、熱插拔和具電氣噪聲的環境中運行很多年。LTC6811還支持ISO26262標準所含義的汽車的功能安全性。ISO26262系統化地應對了汽車中的電子和電氣系統故障引起的潛在危險。這就要求系統必須不斷確認關鍵電子電路處于正常運行狀態,例如電池電壓測量電子電路。為了做到這一點,LTC6811供應廣泛的內部診斷功能,以驗證這類電子電路是否正常運行:
電池和監視器之間的開路檢測
輔助電壓基準以確認主基準準確度在5mV之內
對12節電池組成的電池組進行電壓測量,確認電池測量準確度在0.25%之內
雙通道測量以確認多路復用器和ADC準確度在0.01%之內
同時進行雙濾波器測量以確認濾波器正常工作
內部電源電壓測量
存儲器自測試
利用通用I/O,通過傳感器和外部器件進行冗余監視
準確度
為了實現卓越的準確度,LTC6811采用了一個專用掩埋式齊納電壓基準。掩埋式齊納電壓基準隨時間和工作條件變化,供應出色的長期穩定性和準確度。結果是,LTC6811能夠以不到1.2mV的誤差測量所有電池。
圖2:掩埋式齊納電壓基準的出色溫度漂移性能
此外,即使在有噪聲情況下,LTC6811也可通過濾除電池電壓上的噪聲,確保出色的測量準確度。這是通過使用增量累加ADC轉換器實現的。使用增量累加轉換器時,在轉換期間會對輸入多次采樣,然后進行數字濾波。結果是,內置低通濾波消除了作為測量誤差源的噪聲,這時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,供應8個可選截止頻率。結果是,出色地降低了噪聲,還得到了8種可編程測量速率,從而允許在短短290μs時間內完成對12節電池的測量。
圖3:LTC6811增量累加轉換器
更多功能
LTC6811被設計以在電池系統中最關鍵的位置上工作,直接連接到電池。這個位置處于BMS微處理器和外部設備之間,因此LTC6811可以監視電池傳感器,獲得電池電流或溫度等數值,并顯示這些值與電池測量值之間的密切相關性。LTC6811在這個位置上有幾種發揮用途的方式。
LTC6811供應非常靈活的通用I/O,可作為數字輸入、數字輸出或模擬輸入工作。當作為模擬輸入工作時,LTC6811可測量從V-至5V的任何電壓,測量準確度與測量電池時相同。此外,LTC6811允許電池測量與這些外部信號同步,或與包含12節電池的電池組電壓同步。LTC6811還具備一種內置功能,即通過數字I/O控制I2C或SpI從屬器件。這使LTC6811能夠控制更加復雜的功能,例如控制多路復用器以新增模擬輸入,或控制EEpROM以存儲校準信息。
LTC6811有內部被動平衡FET,可給單獨的電池放電,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給電池放電,例如當電池包處于靜態時。此外,每節電池的放電輸出都可以在獨立的時間段內接通。這就使得當電池監視器未激活時,電池能夠在長時間內保持平衡。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主動平衡電路。LT8584是一款單片反激式DC/DC轉換器,在失配電池組成的電池組中,可用來恢復多于99%的容量。通過LTC6811SpI主控功能,LTC6811可以連至凌力爾特基于SpI的主動平衡ICLTC3330。LTC3300是一款故障保護控制器IC,用于實現雙向主動平衡,可向12節或更多相連電池高效傳送電荷,或將這些電池的電荷傳送出去。
圖4:具主動平衡的電池組監視器
LINDUINOONE
為方便集成LTC6811的功能并縮短開發時間,凌力爾特新的Linduino?One為LTC6811供應了全面支持。LinduinoOne是一款ArduinoUno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。這個平臺具備內置引導程序,可快速在線更新固件,是一款簡便、穩定的硬件開發平臺。因為Arduino是一款開源平臺,BMS設計師可非常容易地訪問簡便和強大的Arduino集成式開發環境(IDE)。名為bmsSketchbook的代碼庫供應LTC6811示例代碼,用來在任何標準C編譯器中進行編譯。例如,bmsSketchbook包括很多例程,包括讀寫配置值、讀寫電池電壓、運行自測試、運行冗余測試、以及控制被動平衡。
圖5:LinduinoOne是一款ArduinoUno兼容的微控制器電路板,與USB完全隔離并直接連至LTC6811
總結
凌力爾特的LTC6811是第四代高性能多節電池監視器。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,供應額外的濾波器截止頻率、額外的被動和主動平衡控制功能、新的ADC命令以及額外的容錯范圍以保證功能安全性。LTC6811還得到了凌力爾特LinduinoOne的全面支持,以方便評估和開發工作。