| 概述
在要求嚴格的電動汽車 (EV) 和混合型 / 電動汽車 (HEV) 市場的促進下，以及在附屬的備份、便攜式儲能設備等市場的進一步推動下，出現了很多技術進步，因此大型電池供電的能量系統1得到了一定的采用上升速度。電池和電池化學組成的創新已經發揮了重要作用，然而，最先進的電池需要細致的監視和控制，以保持大容量、長壽命和安全性。此外，要支持數千瓦功率的系統，必須串聯連接幾十或數百個單獨的電池。因此，盡管系統可以將電池組看成是單個電源，但是每節單獨的電池必須得到仔細的管理。由于這個原因，只有運用尖端的電池管理電子產品，才有可能使用大型先進的電池包。
充當電池管理器時，電池管理電子產品有 3 個重要任務。第一，監視每節電池的健康狀態 (State-of-Health ― SOH)，電池的健康狀態通常通過監視電池的電壓、電流、溫度和運行歷史來確定。第二，通過控制系統中每節電池的充電、放電和容量平衡2，控制每節電池的充電狀態 (SOC)。第三，不斷確認自身處于正常運行狀態，因為不可接受的是，電子產品漏掉一個可能是異常的電池狀況而沒有通知系統。這最后一個任務是實現功能安全性的關鍵因素。
很多年前，凌力爾特公司就認識到，電池管理給電子產品帶來了艱巨挑戰，因此開發了一系列稱為多節電池組監視器的集成電路。電池組監視器直接連接到一組串聯連接的電池上，其主要功能是測量每節電池的電壓，不過電池組監視器已經逐步發展成為包括了一套日益增加的功能。多個電池組監視器可以連接到一起，以便監視非常長的高壓電池串。
凌力爾特公司開發的第一個電池組監視器是 LTC6802，該器件能夠以 0.25% 的最大總體測量誤差、在13ms 內對多達 12 節鋰離子電池進行測量。很多 LTC6802 器件可以串聯連接，以同時監視非常長的高壓電池串中之每一節電池 (圖 1)。在 LTC6802 之后，凌力爾特又開發了 LTC6803、LTC6804 和現在最先進的多節電池監視器 LTC6811。
圖 1：多節電池監視器的基本功能
先進的高壓電池組監視器
LTC6811 包含一個超穩定的電壓基準、高壓多路轉換器、16 位增量累加 ADC 和一個 1Mbps 隔離式串行接口。LTC6811 以高于 0.04% 的準確度測量多達 12 節串聯連接電池的電壓。通過設置 8 個可編程 3 階低通濾波器，LTC6811 可出色地降低噪聲。在最快速 ADC 模式，所有電池都可以在 290µs 之內完成測量。
運用凌力爾特專有的兩線 isoSPI™ 接口，多個 LTC6811 可以互連并同時運行。isoSPI 接口集成到所有 LTC6811 中，僅使用雙絞線對，就可在速率高達 1Mbps 和電纜長達 100 米時，提供很高的抗 RF 噪聲性能。該器件有兩種通信選擇。使用 LTC6811-1 時，多個器件以菊花鏈方式連接，一個主處理器連接所有器件。使用 LTC6811-2 時，多個器件并聯連接到主處理器，每個器件單獨尋址。
準確的電池電壓測量
確定電池健康狀態的基礎是非常準確的電池電壓測量。電池組監視器從電池組的一頭到另一頭，以不同的共模電壓進行差分電池電壓測量。這就要求精確的多路轉換和模擬轉換，準確度最終由內部電壓基準決定。為了實現卓越的準確度，LTC6811 采用了一個專用的掩埋式齊納電壓基準。在 PCB 安裝完畢后，隨溫度、濕度、時間和工作條件變化，掩埋式齊納電壓基準提供了卓越的長期穩定性 (圖 2)。結果是，LTC6811 能夠以少于 1.2mV 的誤差測量所有電池。
圖 2：掩埋齊納電壓基準提供卓越的溫度漂移性能
在實驗臺上實現高準確度是一回事。在存在電子噪聲的電動汽車環境中實現高準確度完全是另一回事。即使存在噪聲時，通過運用增量累加 ADC 轉換器，在 LTC6811 內部濾除電池電壓噪聲， LTC6811 也能夠確保卓越的測量準確度 (圖 3)。在轉換過程中，用增量累加轉換器對輸入進行多次采樣，然后再進行數字濾波。結果是，內置低通濾波消除了作為測量誤差源的噪聲，這時截止頻率是由采樣率確定的。LTC6811 采用一個具可編程采樣率和 8 個可選截止頻率的快速 3 階增量累加 ADC。結果是出色地降低了噪聲，并提供 8 種可編程測量速率，從而能夠在短至 290µs 的時間內完成全部 12 節電池的測量。
圖 3：LTC6811 增量累加轉換器
關聯測量
由于可以直接連接電池，所以對收集電池電壓測量值以及關聯電池電壓測量值與溫度和電流而言，LTC6811 具備獨特優勢。通過其通用 I/O (GPIO)，LTC6811 可將外部傳感器測量值多路轉換至電池電壓采樣系統。LTC6811 內部的特定命令自動地處理這種同步功能，從而可在 208μs 內實現同步。除了測量模擬輸入，LTC6811 GPIO 還可作為數字輸入和輸出運行，或者用來控制 I2C 或 SPI 從屬器件。這就使 LTC6811 能夠連接更加復雜的功能，例如用來擴展模擬輸入的多路復用器或存儲校準信息的 EEPROM。
個別電池的容量平衡
為了單獨控制每節電池的充電情況，LTC6811 采用了內部被動平衡 FET，該 FET 可對個別電池放電，或直接控制更大的大功率外部 FET。即使個別電池接近其最大 SOC 時，這種平衡功能也使電池包級充電器能夠繼續充電。此外，在低功率狀態時，LTC6811 可配置為給電池放電，每節電池的放電輸出量均可獨立設定。這就能夠在電池監視器未啟動時，例如在汽車停車時，實現長時間的容量平衡。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，在電池容量失配的電池組中，允許高于 99% 的容量恢復 (圖 4)。運用 LTC6811 SPI 主器件功能，LTC6811 還可以連接凌力爾特基于 SPI 的主動平衡 IC LTC3300。LTC3300 是一款針對故障提供保護的控制器 IC，用于實現雙向主動平衡，可以向或從 12 節或更多相鄰電池高效率傳送電荷。
圖 4：具主動平衡的 12 節電池組監視器
功能安全性
在電子產品和高能量電池系統應用的快速擴展中，人們正確地將精力集中在了解決電子產品的功能安全性上。ISO 26262 國際安全標準系統化地解決了汽車中由電子和電氣系統運轉失靈導致的潛在危險。這個標準要求，系統要不斷確認關鍵電子產品處于正常運行狀態，例如用于電池電壓測量的電子產品。不正確的讀數可能導致過度放電和電池劣化，或者導致過度充電，引起電池損壞或更加嚴重的后果。
LTC6811 滿足 ISO 26262 的要求，提供廣泛的內部診斷功能，可驗證是否處于正常運行狀態，包括：
檢測電池和監視器之間連線是否開路
用輔助電壓基準確認主基準準確度在 ±5mV 以內
測量由 12 節電池組成的電池組之電壓，確認電池測量準確度在 ±0.25% 以內
進行雙通道測量，確認多路轉換器和 ADC 準確度在 0.01% 以內
同時進行雙濾波器測量以確認濾波器運行
測量內部電源電壓
存儲器自測試
運用通用 I/O，通過傳感器和外部器件進行冗余監視
串行接口上 15 位數據包誤碼
總結
毫無疑問，隨著電動汽車和混合型 / 電動汽車市場的增長，先進的高能量電池系統的使用也將繼續增長。隨著創新的出現，這類系統的機會顯著增加了，而電池管理電子產品是這種系統的關鍵部分。盡管最終用戶可能只看到一盒子電池，但是工程師們知道，每一節電池都必須仔細管理，以最大限度擴大運行范圍、延長壽命、提高安全性和可靠性。
1 特斯拉汽車公司擬議中的 Powerwall 說明，大型高能量電池系統有非常真實的潛力。
2 容量平衡指的是，按照需要增加或去掉個別電池中的電荷，以使電池處于可控的 SOC 范圍。 |
