高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控

如果您還沒有駕駛電動汽車 （EV）——混合動力電動汽車 （HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV） 或全電動汽車——那么很有可能，您可能很快就會駕駛。里程焦慮已成為過去。您現(xiàn)在可以幫助保護(hù)環(huán)境，而不必?fù)?dān)心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來抵消電動汽車的溢價，希望引導(dǎo)您遠(yuǎn)離購買內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。一些政府已經(jīng)采取措施，要求汽車制造商制造和銷售電動汽車，希望市場最終將由它們主導(dǎo)，而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如，德國已經(jīng)在推動到2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車。

電動汽車搬運(yùn)工

如果您還沒有駕駛電動汽車 （EV）——混合動力電動汽車 （HEV）、插電式混合動力汽車（PHEV） 或全電動汽車——那么很有可能，您可能很快就會駕駛。里程焦慮已成為過去。您現(xiàn)在可以幫助保護(hù)環(huán)境，而不必?fù)?dān)心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來抵消電動汽車的溢價，希望引導(dǎo)您遠(yuǎn)離購買內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。一些政府已經(jīng)采取措施，要求汽車制造商制造和銷售電動汽車，希望市場最終將由它們主導(dǎo)，而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如，德國已經(jīng)在推動到2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車。

在汽車歷史的大部分時間里，創(chuàng)新都集中在提高內(nèi)燃機(jī)的燃油燃燒效率，清理排放，同時提供舒適的用戶體驗(yàn)。然而，內(nèi)燃機(jī)汽車最近的絕大多數(shù)創(chuàng)新都是電子技術(shù)進(jìn)步的直接結(jié)果——底盤系統(tǒng)、動力總成、自主和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、信息娛樂和安全系統(tǒng)的改進(jìn)。電動汽車具有許多與內(nèi)燃機(jī)汽車相同的電子系統(tǒng)，當(dāng)然還有傳動系統(tǒng)本身。根據(jù)美光科技的數(shù)據(jù)，電動汽車價值的電子部分高達(dá)75%，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步不斷降低各種電子模塊和子系統(tǒng)的成本，這一部分也在增加。即使是非傳統(tǒng)的汽車廠商，如英特爾，也在尋找其中的一部分。

毫不奇怪，在電動汽車的所有電子子系統(tǒng)中，制造商和消費(fèi)者都關(guān)注電動汽車的核心，即電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身（鋰離子）是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，以及電池管理系統(tǒng)（BMS），該系統(tǒng)通過監(jiān)控電池最大限度地提高電池使用率和安全性。

裸金屬服務(wù)器監(jiān)控

BMS的主要功能是監(jiān)控電池的狀態(tài)，或者在電動汽車的情況下，監(jiān)控非常大的電池組或電池組的狀態(tài)。BMS 通常監(jiān)控單個電池和電池組電壓、電流、溫度、充電狀態(tài) （SOC）、健康狀態(tài)（SOH） 和其他相關(guān)功能，例如冷卻液流量。除了BMS提供的明顯的安全性和性能優(yōu)勢外，準(zhǔn)確監(jiān)控這些參數(shù)通?？梢赞D(zhuǎn)化為更好的駕駛體驗(yàn)，駕駛員可以充分了解實(shí)時電池狀況。

為了有效，BMS測量電路必須精確快速，具有高共模電壓抑制，功耗低，并與其他設(shè)備安全通信。EV BMS 的其他職責(zé)包括將能量回收回電池組（即再生制動）、平衡電池、保護(hù)電池組免受危險水平的電壓、電流和溫度的影響，以及與其他子系統(tǒng)（例如充電器、負(fù)載、熱管理和緊急關(guān)機(jī)）通信。

汽車制造商使用多種 BMS 監(jiān)控拓?fù)鋪頋M足他們對準(zhǔn)確性、可靠性、易于制造、成本和功率要求的需求。例如，圖1所示的分布式拓?fù)鋸?qiáng)調(diào)本地智能的高精度，串聯(lián)電池組的高可制造性，以及通過低功耗SPI和isoSPI接口實(shí)現(xiàn)IC間通信的低功耗和高可靠性。

圖1中的拓?fù)浒ㄒ粋€EV電池組監(jiān)視器（在本例中為ADI公司的LTC2949），用于低側(cè)電流檢測配置，其中isoSPI通信線路與底部電池監(jiān)視器（LTC6811-1）并聯(lián)。為了增強(qiáng)可靠性，可以通過將第二個isoSPI收發(fā)器連接到電池組頂部并創(chuàng)建可在兩個方向上通信的環(huán)形拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)雙通信方案。與 SPI 主控制器的隔離通信通過一個LTC6820isoSPI 至 SPI 信號轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節(jié)電池監(jiān)視器可用于測量多達(dá)6、12、15或18節(jié)串聯(lián)電池的單個電壓，而單個LTC2949則用于測量總電池組參數(shù)。LTC681x 和 LTC2949 共同構(gòu)成了一個全面的 EV BMS 監(jiān)控解決方案 — 對于某些人來說，該電路可能更廣為人知的是 BMS 的模擬前端 （AFE）。

圖1.采用電池監(jiān)控器 （LTC6811-1） 和電動汽車電池組（LTC2949） 的分布式 EV BMS 監(jiān)控拓?fù)洹?/p>

EV電池組監(jiān)視器是專為EV設(shè)計(jì)的高精度電流、電壓、溫度、電荷、功率和電能表。通過測量這些關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員具備了計(jì)算整個電池組的實(shí)時SOC和SOH以及其他品質(zhì)因數(shù)的基本要素。圖 2 示出了用于高端電流檢測配置的 LTC2949 的框圖。其中，LTC2949采用可調(diào)浮動拓?fù)?，使其能夠監(jiān)控非常高電壓的電池組，不受其自身14.5 V額定電壓的限制。LTC2949 的電源通過一個具有 V 的LT8301隔離式反激式轉(zhuǎn)換器提供抄送連接到電池正極。

電動汽車電池組監(jiān)控器的核心是軌到軌、低偏移、Σ-Δ型 ADC，可確保精確的電壓測量。在 LTC2949 中可用的 5 個 ADC 中，有兩個 20 位 ADC 可用于測量兩個檢測電阻器兩端的電壓 （如圖 2 所示），并以 0.3% 的準(zhǔn)確度推斷流經(jīng)兩個獨(dú)立電源軌的電流;失調(diào)小于1 μV時，可提供高動態(tài)范圍。同樣，以高達(dá)18位和0.4%的精度測量電池組總電壓。兩個專用功率ADC檢測分流器和電池組電壓輸入，產(chǎn)生0.9%的精確功率讀數(shù)。最后的 15 位 ADC 可用于測量多達(dá) 12 個輔助電壓，便于與外部溫度傳感器或電阻分壓器配合使用。使用內(nèi)置多路復(fù)用器，該監(jiān)視器可以在 12 個緩沖輸入中的任何一對之間執(zhí)行差分軌到軌電壓測量，精度為 0.4%。

為了簡化設(shè)置，監(jiān)視器的五個ADC形成三個數(shù)據(jù)采集通道。每個通道可以配置為兩種速度之一，具體取決于應(yīng)用，如表 1 所示。例如，兩個通道可用于監(jiān)控單個分流電阻器：一個通道用于慢速（100 ms）高精度電流、功率、電荷和能量測量;另一個用于快速（782 μs）電流快照，與電池組電壓測量同步，用于阻抗跟蹤或預(yù)充電測量?；蛘?，通過兩個獨(dú)立通道監(jiān)控的兩個不同尺寸的分流電阻（如圖2所示），允許用戶平衡每個分流器的精度和功率損耗。同時，第三個輔助通道可以對可選緩沖輸入進(jìn)行快速測量，也可以對兩個可配置輸入（堆棧電壓、芯片溫度、電源電壓和基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行自動循環(huán)（RR）測量。

表 1.LTC2949 的三個數(shù)據(jù)采集通道的配置選項(xiàng)

由于 SOH 是電池（或電池組）生命周期中的一個點(diǎn)，也是衡量其相對于新電池的狀況的指標(biāo)，因此使用精確的 EV BMS 監(jiān)視器不僅要最大限度地提高行駛里程，還要最大限度地減少意外的電池故障，這一點(diǎn)很重要。說到電池壽命，LTC2949在導(dǎo)通時僅消耗16 mA，在睡眠時僅消耗8 μA。當(dāng)監(jiān)視器的三個數(shù)據(jù)采集通道中的任何一個配置為快速模式（782 μs轉(zhuǎn)換時間和15位分辨率）時，監(jiān)視器可以將其電池組電壓和電流測量值與任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)視器的電池電壓測量值同步，以推斷單個電池阻抗、年齡和SOH。有了這些信息，就可以評估堆棧電池壽命，因?yàn)樽钊醯碾姵刈罱K決定了整個堆棧的SOH。

數(shù)字優(yōu)勢

電動汽車監(jiān)控器的數(shù)字功能包括過采樣乘法器和累加器，可生成 18 位功率值以及 48 位能量和電荷值，從而報告最小值和最大值，以及基于用戶定義限值的警報。這使BMS控制器和總線免于連續(xù)輪詢監(jiān)視器以獲取電壓和電流數(shù)據(jù)的任務(wù)，以及根據(jù)結(jié)果執(zhí)行計(jì)算的額外任務(wù)。通過以過采樣ADC時鐘速率（預(yù)抽取濾波器）采集功率樣本，而不是乘以平均值，該監(jiān)視器可在電流和電壓變化遠(yuǎn)超其轉(zhuǎn)換速率的情況下準(zhǔn)確測量功率，信號高達(dá)50 kHz。

圖2.采用高端電流檢測配置的 LTC2949 浮動 EV 電池監(jiān)視器的典型連接。監(jiān)視器的電源通過帶 V 的 LT8301 反激式提供抄送連接到電池正極。

由于監(jiān)視器跟蹤電流、電壓、功率和溫度數(shù)據(jù)的最小值和最大值，因此總線和主機(jī)可以將時鐘周期用于其他任務(wù)，而不是連續(xù)輪詢監(jiān)視器。除了檢測和存儲最小值和最大值外，監(jiān)視器還可以在超過任何用戶定義的閾值時發(fā)出警報，再次將主控制器和總線從輪詢?nèi)蝿?wù)中釋放出來。監(jiān)視器還可以在提供指定量的能量或電荷后，或者在經(jīng)過預(yù)設(shè)的時間量后生成溢出警報。

為確保監(jiān)控精度，該監(jiān)視器提供可編程增益校正因子以補(bǔ)償測量組件的容差：兩個用于分流電阻器、一個電池分壓器和四個多路復(fù)用輸入。這些校正因子可以存儲在外部EEPROM中，以便采用模塊化方法對電池組進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。該監(jiān)視器還可以通過求解具有可編程系數(shù)的斯坦哈特-哈特方程，對多達(dá)兩個外部NTC熱敏電阻的溫度讀數(shù)進(jìn)行線性化;然后，這些讀數(shù)可用于自動對分流電阻讀數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過持續(xù)補(bǔ)償容差和溫度影響，不僅可以提高監(jiān)控精度，還可以使用成本更低的外部元件。

標(biāo)準(zhǔn)SPI接口可用于直接MCU連接，isoSPI接口提供標(biāo)準(zhǔn)芯片級SPI的物理層適配，釋放出經(jīng)濟(jì)高效的分布式封裝架構(gòu)的全部潛力。isoSPI 專為高電壓和高噪聲系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，僅使用一根雙絞線電纜和一個簡單的脈沖變壓器，即可在長達(dá) 100 米的電纜上提供高達(dá) 1 Mbps 的安全、可靠的信息傳輸。isoSPI也比其他板載隔離解決方案便宜。圖3顯示了如何利用isoSPI作為菊花鏈或可尋址并行配置中的最后一個元件的架構(gòu)。

圖3.采用 isoSPI 配置的架構(gòu)。

結(jié)論

電動汽車已成為主流，導(dǎo)致大批量采用的拐點(diǎn)。為了保持競爭力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注電池和BMS技術(shù)，這些技術(shù)對最終用戶體驗(yàn)有著深遠(yuǎn)的影響。電動汽車電池組監(jiān)控器簡化了多種電池堆監(jiān)控拓?fù)浜团渲玫奶幚?。幾乎在任何電壓和任何電流水平下，監(jiān)視器都能實(shí)現(xiàn)高性能、安全、靈活和可靠的電池管理系統(tǒng)。通過準(zhǔn)確讀取電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時間，可立即準(zhǔn)確評估電池 SOH 和 SOC。關(guān)鍵最小值、最大值和警報可以通過 isoSPI 接口進(jìn)行測量、計(jì)算和報告。這減少了對主機(jī)資源、總線設(shè)計(jì)和測試以及軟件設(shè)計(jì)的需求。一些數(shù)字功能包括乘法器、累加器、最小/最大寄存器、可配置警報和外部元件容差/溫度補(bǔ)償。LTC2949 等監(jiān)視器專為獨(dú)立工作或與任何多節(jié)電池監(jiān)視器配合使用而設(shè)計(jì)，可滿足對下一代 EV BMS 的關(guān)鍵需求，同時滿足嚴(yán)格的 AEC-Q100 準(zhǔn)則和 ISO 26262 安全標(biāo)準(zhǔn)。