對(duì)電動(dòng)汽車可行性的懷疑已經(jīng)平息很久了。今朝的緊要問(wèn)題是：新型大功率電池技術(shù)可滲透多遠(yuǎn)、多寬和多深?也許答案并不令人意外，沒(méi)人真正了解確切的結(jié)果。不過(guò)，考慮一下電池管理系統(tǒng)(bMS)所用電子組件的演化是件很有趣的事，尤其是位于其核心的多節(jié)電池監(jiān)視器組件?？紤]這個(gè)問(wèn)題也許有助于了解高壓電池組在電池備份系統(tǒng)到外骨架等各種使用中的采用趨勢(shì)。我們來(lái)看一下凌力爾特LTC68xx這個(gè)產(chǎn)品系列在安全性、準(zhǔn)確度、功能和開發(fā)工具支持這些方面取得的進(jìn)步。

2008年，凌力爾特公司宣布推出首款高性能多節(jié)電池監(jiān)視器LTC6802。該器件的緊要特色包括：能夠在13ms內(nèi)以0.25%的最大總測(cè)量誤差測(cè)量多達(dá)12節(jié)鋰離子電池。這一多節(jié)電池監(jiān)視器的緊要功能是，可以多個(gè)串聯(lián)連接，以同步監(jiān)視很長(zhǎng)的高壓電池串中的每一節(jié)電池(圖1)。此后，凌力爾特相繼推出了LTC6803、LTC6804和今朝最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器LTC6811。所有這4款器件都供應(yīng)相同的基本功能：測(cè)量12節(jié)串聯(lián)連接電池中每一節(jié)電池的電壓。這個(gè)產(chǎn)品系列的演化方向一直是不斷提高功能安全性、測(cè)量準(zhǔn)確度和功能集成度。

圖1：簡(jiǎn)化的多節(jié)電池監(jiān)視器

電池監(jiān)視器組件最顯著的進(jìn)步是功能安全性的提高，正如ISO26262標(biāo)準(zhǔn)所含義的那樣。本質(zhì)上，ISO26262系統(tǒng)性地處理了汽車中電子和電氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)失靈可能導(dǎo)致潛在危害的問(wèn)題。盡管ISO26262標(biāo)準(zhǔn)幾乎涉及到了產(chǎn)品開發(fā)及使用的每一個(gè)階段，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師非得專注于處理以下問(wèn)題：如何繼續(xù)確認(rèn)可能影響安全性的每一個(gè)組件是不是正確運(yùn)行。多節(jié)電池監(jiān)視器在完成這個(gè)任務(wù)時(shí)發(fā)揮了核心用途，因?yàn)殡姵仉妷翰徽_是存在潛在問(wèn)題的第一個(gè)跡象。處理這個(gè)問(wèn)題造成了很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

處理棘手的模擬電子產(chǎn)品問(wèn)題的決心深植于凌力爾特公司的DNA之中，汽車電子產(chǎn)品問(wèn)題也不例外。這些多節(jié)電池監(jiān)視器說(shuō)明了凌力爾特在高可靠性、高穩(wěn)定性和高測(cè)量準(zhǔn)確度方面取得的成績(jī)，這些監(jiān)視器預(yù)期能夠在高壓、極端溫度、準(zhǔn)許熱插拔和有電氣噪聲的環(huán)境中工作很多年。ISO26262標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)了一步，除了其他很多要求以外，還要求分解潛在故障及其處理辦法。在電子產(chǎn)品中識(shí)別和處理潛在故障的一種常見辦法是供應(yīng)自探測(cè)功能和冗余。甚至在ISO26262公布之前，凌力爾特公司就認(rèn)識(shí)到了功能安全性的緊要性，在LTC6802中供應(yīng)了自探測(cè)功能和內(nèi)部冗余。每新一代的多節(jié)電池監(jiān)視器都加強(qiáng)并細(xì)化了這些特性。最新器件LTC6811在這方面持續(xù)進(jìn)步，通過(guò)改進(jìn)提高其內(nèi)部診斷的傾覆范圍。這些功能包括額外的冗余測(cè)量通路、改善輸入信號(hào)間的同步、以及提高自探測(cè)準(zhǔn)確度。結(jié)果是更快、更簡(jiǎn)便和更高效的自探測(cè)，可幫助設(shè)計(jì)師滿足ISO26262要求。甚至有關(guān)非汽車使用，這些功能和特色也使設(shè)計(jì)師洋溢信心，使他們能夠無(wú)論面對(duì)什么樣的高可靠性使用，都能夠自信地應(yīng)對(duì)。

凌力爾特的器件在電池測(cè)量準(zhǔn)確度方面實(shí)現(xiàn)了逐步改進(jìn)和創(chuàng)新。追求卓越的準(zhǔn)確度始終是緊要設(shè)計(jì)目標(biāo)，因?yàn)闈撛跍y(cè)量誤差導(dǎo)致電池管理有效性降低，并最終降低電池組容量、可靠性和/或縮短壽命。凌力爾特顯著努力地優(yōu)化內(nèi)置的電壓基準(zhǔn)，因?yàn)樗菧y(cè)量誤差的緊要決定因素。首批凌力爾特多節(jié)電池監(jiān)視器采用了帶隙電壓基準(zhǔn)。這屬于常規(guī)選擇，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)尺寸小，功耗和壓差都很低。不過(guò)，帶隙基準(zhǔn)的運(yùn)行表現(xiàn)可能像一個(gè)應(yīng)變計(jì)，將印刷電路板組裝出現(xiàn)的機(jī)械壓力、熱量變化、濕度以及長(zhǎng)期漂移變成了測(cè)量誤差。為了戒備這種限制，凌力爾特率先采用了一種神奇辦法，給設(shè)計(jì)新增了一種專用的掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)隨溫度、時(shí)間以及其他工作條件變化情況下供應(yīng)了卓越的穩(wěn)定性。結(jié)果，今天的LTC6811能夠以好于1.2mV的最差準(zhǔn)確度測(cè)量每一節(jié)電池(參見圖2)。

圖2：掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)的卓越溫度漂移性能

此外，通過(guò)過(guò)濾每一節(jié)電池上的電壓噪聲，凌力爾特的器件還確保卓越的測(cè)量準(zhǔn)確度，甚至在有噪聲存在的情況下也不例外。這是通過(guò)使用增量累加模數(shù)轉(zhuǎn)換器而不是常采用在其他辦法中的快速SAR轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這聲明，盡管在測(cè)量數(shù)百節(jié)獨(dú)立電池時(shí)SAR轉(zhuǎn)換器具有分明的速度優(yōu)點(diǎn)，但凌力爾特再次選擇打破常規(guī)。之所以做出這種選擇，是因?yàn)槠嚟h(huán)境洋溢了來(lái)自馬達(dá)、螺線管、電源逆變器等的噪聲和瞬態(tài)干擾。所有這些噪聲都影響測(cè)量準(zhǔn)確度。使用增量累加轉(zhuǎn)換器時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間對(duì)輸入多次采樣，然后再求取均勻值。這是經(jīng)過(guò)低通濾波消除作為測(cè)量誤差源的噪聲后得出最終結(jié)果，截止頻率是由采樣率決定的。例如，LTC6802采用2階增量累加轉(zhuǎn)換器，以每秒1k采樣的固定采樣率工作。結(jié)果是對(duì)10kHz開關(guān)噪聲有36db的抑制(參見圖3)。不過(guò)，缺點(diǎn)是，用LTC6802測(cè)量12節(jié)電池要13ms時(shí)間，這對(duì)某些使用而言太慢了*。然而，有關(guān)在有噪聲的真切世界中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池測(cè)量而言，采用增量累加轉(zhuǎn)換器依然是最實(shí)用的辦法。由于這個(gè)原由，凌力爾特一直在繼續(xù)改進(jìn)其增量累加辦法。今天，LTC6811采用了速度快得多的3階增量累加ADC，供應(yīng)可編程采樣率和8個(gè)可選截止頻率。結(jié)果是得到出色的噪聲衰減和8種可編程測(cè)量速率(圖4)，從而能夠以290µs時(shí)間測(cè)量所有12節(jié)電池。

圖3：LTC6802增量累加轉(zhuǎn)換器與帶RC電路的SAR轉(zhuǎn)換器比較

圖4：LTC6811增量累加轉(zhuǎn)換器

最后，有趣值得一提的是，多節(jié)電池監(jiān)視器的功能是要怎么樣擴(kuò)展的。正如之前提到的那樣，多節(jié)電池監(jiān)視器的緊要任務(wù)是準(zhǔn)確地測(cè)量電池電壓，并將所測(cè)得的電壓值傳送給主解決器。此外，多節(jié)電池監(jiān)視器最好不包括內(nèi)部軟件，因?yàn)閮?nèi)部軟件可能與系統(tǒng)級(jí)電池管理存在沖突。從所有電池收集數(shù)據(jù)并決定充電狀態(tài)或健康狀態(tài)的任務(wù)應(yīng)當(dāng)由主bMS解決器完成。不過(guò)，多節(jié)電池監(jiān)視器位于電池系統(tǒng)中最關(guān)鍵的位置，筆直連接至電池。這里是監(jiān)視其他電池傳感器的理想位置，例如電流或溫度傳感器，也是把這些傳感器測(cè)量值與電池測(cè)量值緊密聯(lián)系起來(lái)的理想位置。由于這個(gè)原由，所以多節(jié)電池監(jiān)視器可以作為bMS微解決器和外部器件之間的連接中心。

例如，LTC6811供應(yīng)非常靈活的通用I/O，可作為數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、或作為模擬輸入工作。當(dāng)作為模擬輸入工作時(shí)，LTC6811能夠以與電池測(cè)量相同的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量從V-至5V的任何電壓。然后，LTC6811可將這些外部信號(hào)或蘊(yùn)含12節(jié)電池的整個(gè)電池包之電壓同步到電池電壓測(cè)量值中。另外，通用I/O還可以以數(shù)字模式使用，以控制I2C或SpI從屬器件。這使LTC6811能夠控制更復(fù)雜的功能，例如控制多路復(fù)用器以新增模擬輸入或EEpROM以存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息。

LTC6811供應(yīng)先進(jìn)的電池容量平衡功能。利用SpI主控功能，LTC6811可控制凌力爾特的SpI有源平衡ICLTC3300。LTC6811蘊(yùn)含內(nèi)部被動(dòng)平衡FET，可使個(gè)別電池放電，或筆直地控制較大的外部大功率FET。LTC6811能夠配置每節(jié)電池的放電引腳，以使每節(jié)電池以獨(dú)立的周期工作。這使得在多節(jié)電池監(jiān)視器未運(yùn)行時(shí)，能夠在很長(zhǎng)的周期中單獨(dú)地平衡每一節(jié)電池的容量。最后，每個(gè)被動(dòng)平衡引腳都可以用作串行接口。在連接凌力爾特的LT8584單片有源電池容量平衡器時(shí)尤其有用，在這種情況下，可以控制有源平衡，而且可以監(jiān)視每一節(jié)獨(dú)立電池的電流和溫度。

為了集成所有這些功能并縮短開發(fā)時(shí)間，凌力爾特的Linduino™One(參見圖5)對(duì)LTC6811供應(yīng)了全面支持。LinduinoOne是一款A(yù)rduinoUno兼容微控制器電路板，供應(yīng)了全面的USb隔離，并筆直連至LTC6811演示電路板。這個(gè)平臺(tái)有內(nèi)置自引導(dǎo)程序，可快速實(shí)今朝電路的固件更新，是一款簡(jiǎn)便、穩(wěn)定的硬件開發(fā)平臺(tái)。既然Arduino是開源平臺(tái)，那么bMS設(shè)計(jì)師就可以非常容易地使用簡(jiǎn)便和強(qiáng)大的Arduino集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。稱為bmsSketchbook的代碼庫(kù)為L(zhǎng)TC6811供應(yīng)了代碼示例，該示例可在任何標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編譯器中編譯。例如，bmsSketchbook包括讀寫配置例程，可讀寫電池電壓，運(yùn)行自探測(cè)、冗余探測(cè)功能，并控制被動(dòng)平衡功能。

圖5：Linduino開發(fā)系統(tǒng)

結(jié)論

自2008年，凌力爾特已經(jīng)推出了4代多節(jié)電池監(jiān)視器。這些器件的安全特色、準(zhǔn)確度和功能在過(guò)去這些年中已經(jīng)發(fā)生了很大變化，這說(shuō)明這些IC在高性能電池管理范疇的緊要性與日俱增。此外，無(wú)論用于什么樣的最終使用，新的工具都使這些器件集成到電池管理系統(tǒng)中的過(guò)程得到了簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化。凌力爾特最先進(jìn)的多節(jié)電池監(jiān)視器LTC6811(如圖6所示)供應(yīng)了十分出色的功能，幾乎適用于任何高壓、大功率的電池系統(tǒng)。

圖6：凌力爾特的LTC6811：第四代多節(jié)電池監(jiān)視器

*盡管SARADC拓?fù)錅?zhǔn)許更快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，但是在有噪聲的系統(tǒng)中所得的結(jié)果卻是值得懷疑。有關(guān)與LTC6802相同的10kHz噪聲抑制而言，每秒1M采樣率的SAR轉(zhuǎn)換器要給每個(gè)電池配備一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器，拐角頻率為160Hz(參見圖3)。RC濾波器的12位穩(wěn)按時(shí)間為8.4ms。因此，盡管SAR轉(zhuǎn)換器可以在10µs時(shí)間內(nèi)順序經(jīng)過(guò)10個(gè)通道，但是由于濾波器的應(yīng)和時(shí)間，以高于每8.4ms掃描一次的速度卻毫無(wú)意義。