Greg Zimmer

凌力爾特公司  高級產(chǎn)品市場(chǎng)工程師  信號調理產(chǎn)品部

概述

如果希望鋰離子電池長(cháng)時(shí)間可靠運行，就需要相當小心。這類(lèi)電池不能在其充電狀態(tài) (SOC) 范圍的極端點(diǎn)上運行。隨著(zhù)時(shí)間推移和使用量增加，鋰離子電池的容量會(huì )減小，而且各節電池容量之間會(huì )出現差異，因此對系統中的每節電池都必須加以管理，以保持這些電池處于所限定的 SOC 范圍之內。

為了給車(chē)輛提供充足的電力，需要數十或數百節電池配置成一長(cháng)串，以產(chǎn)生高達 1000V 或更高的電壓。電池電子系統必須以這種高電壓運行，并抑制共模電壓效應，同時(shí)對電池串中的每節電池分別地加以測量和控制。這些電子系統必須能夠從電池組中的每節電池向中央處理點(diǎn)發(fā)送信息。

此外，在車(chē)輛或其他大功率應用中，高壓電池組面臨著(zhù)惡劣的運行情況，例如運行時(shí)電氣噪聲非常大，工作溫度變化范圍很寬等。人們希望電池管理電子系統最大限度擴大運行范圍、延長(cháng)壽命、提高安全性和可靠性，同時(shí)最大限度降低成本、減小尺寸和重量。

凌力爾特公司電池監視 IC 的不斷進(jìn)步使如今的汽車(chē)電池組實(shí)現了高性能、長(cháng)壽命和高可靠性。無(wú)線(xiàn)電池管理系統 (BMS) 有望進(jìn)一步提高整個(gè)電池系統的安全性和可靠性。

電池監視

在 2008 年，凌力爾特公司宣布推出首款高性能多節電池組監視器 LTC6802。LTC6802 的主要功能包括：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；多個(gè) LTC6802 IC 可串聯(lián)連接以同時(shí)監視很長(cháng)的高壓電池串中的每節電池。多年來(lái)，凌力爾特已經(jīng)對 LTC6802 進(jìn)行了多次改進(jìn)。凌力爾特 LTC68XX 系列的所有器件都計劃用于混合動(dòng)力/電動(dòng)型汽車(chē) (HEV)、電動(dòng)型汽車(chē) (EV) 以及其他高壓、大功率電池組，以進(jìn)行精準的電池管理。

LTC6811 是凌力爾特最新的多節電池組監視器，采用了超穩定電壓基準、高壓多路轉換器和兩個(gè) 16 位增量累加 ADC。LTC6811 能夠以高于 0.04% 的電壓準確度測量多達 12 節串聯(lián)連接的電池。在最快速 ADC 模式，所有電池可在 290μs 時(shí)間內完成測量。采用 8 個(gè)可編程 3 階低通濾波器設置時(shí)，LTC6811 可提供出色的降噪性能。因此可以得到卓越的電池測量準確度，進(jìn)而實(shí)現精準的電池管理，以增大電池包容量、提高安全性并延長(cháng)壽命。

每個(gè) LTC6811 都包括兩個(gè)內置的 1MHz 串行接口、一個(gè)用于連至本地微處理器的 SPI 接口和專(zhuān)有兩線(xiàn) isoSPI 接口。isoSPI 接口提供兩種通信選擇：多個(gè)器件能夠以菊鏈方式連至 BMS 主器件 (主處理器)；或者多個(gè)器件能夠以并聯(lián)方式尋址及連至 BMS 主處理器。

模塊化電池包

大功率汽車(chē)系統需要大量電池，為了適應這種情況，電池常常分成電池包，并分散在車(chē)輛內各種可用空間中。在一個(gè)典型的電池模塊中有 10 到 24 節電池，多個(gè)模塊能夠以不同配置方式組裝，以適合多種車(chē)輛平臺。模塊化設計簡(jiǎn)化了維護和保修問(wèn)題，并能夠作為非常大型電池組的基礎。模塊化設計允許電池包分散在較大的區域內，以更有效地利用空間。

要在 EV/HEV 的高電磁干擾 (EMI) 環(huán)境中支持分布式、模塊化拓撲，需要可靠的通信系統。隔離式 CAN 總線(xiàn)和凌力爾特的 isoSPI 為在這種環(huán)境中實(shí)現模塊互連提供了經(jīng)過(guò)行車(chē)驗證的解決方案。

CAN 總線(xiàn)在汽車(chē)應用中很成功，它為電池模塊互連提供了一種非常成熟的網(wǎng)絡(luò )，但是需要一些額外的組件。例如，通過(guò) LTC6811 的 SPI 接口部署隔離式 CAN 總線(xiàn)，需要增加一個(gè) CAN 收發(fā)器、一個(gè)微處理器和一個(gè)隔離器。CAN 總線(xiàn)的主要缺點(diǎn)是，增加這些組件增大了成本和所需電路板空間。

圖 1：采用 CAN 總線(xiàn)的模塊化 BMS 電子系統 

一種能夠代替 CAN 總線(xiàn)的接口是凌力爾特的創(chuàng )新性?xún)删�(xiàn) isoSPI 接口。這種 isoSPI 接口集成到了每一個(gè) LTC6811 中，采用簡(jiǎn)單的變壓器和單對雙絞線(xiàn)，而不是 CAN 總線(xiàn)所需的 4 條線(xiàn)。isoSPI 接口提供很高的抗 RF 噪聲性，用這種接口，眾多模塊可通過(guò)很長(cháng)的電纜以菊鏈方式連接，并以高達 1Mbps 的數據速率運行。

圖 2：采用 isoSPI 接口以菊鏈方式連接的模塊化 BMS 電子系統

無(wú)線(xiàn) BMS

在無(wú)線(xiàn) BMS 中，每個(gè)模塊都是通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接而不是 CAN 總線(xiàn)電纜或 isoSPI 雙絞線(xiàn)對互連的。凌力爾特目前正在展示業(yè)界首款采用無(wú)線(xiàn)汽車(chē)電池管理系統 (BMS) 的概念車(chē)。這款采用無(wú)線(xiàn) BMS 的概念車(chē)屬于 BMW i3 型號，采用了 LTC6811 電池組監視器和凌力爾特的 SmartMesh^® 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，取代了電池包和電池管理系統之間的傳統有線(xiàn)連接。這種全無(wú)線(xiàn) BMS 車(chē)輛的演示代表著(zhù)一項重大突破，因為對于電動(dòng)型和混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型車(chē)輛所采用并由多節電池組成的大型電池組而言，這提供了改善可靠性、降低成本及布線(xiàn)復雜性的潛力。

人們要求汽車(chē)制造商確保駕車(chē)一族在駕駛電動(dòng)型和混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型汽車(chē)時(shí)既安全又可靠。凌力爾特現在尋求超越電池監視 IC 既有的安全性和可靠性，進(jìn)一步在高度振動(dòng)的汽車(chē)環(huán)境中應對可能產(chǎn)生的連接器、電纜和束線(xiàn)布線(xiàn)的機械故障。迄今為止，人們一直認為，車(chē)輛中的金屬和高 EMI 環(huán)境太嚴酷了，無(wú)線(xiàn)系統不可能可靠運行。然而，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )可運用多樣化的通路和頻率繞過(guò)障礙物傳送無(wú)線(xiàn)信息，并降低干擾，從而提供了真正冗余的互連系統。SmartMesh 嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證，可在嚴酷環(huán)境中提供可靠性 >99.999% 的數據傳輸，例如火車(chē)車(chē)廂監視、采礦、工業(yè)處理廠(chǎng)等環(huán)境。無(wú)線(xiàn) BMS 概念車(chē)提供導線(xiàn)連接般的可靠性，消除了機械連接器故障問(wèn)題，這表明無(wú)線(xiàn)技術(shù)有望顯著(zhù)提高總體系統可靠性，簡(jiǎn)化汽車(chē)電池管理系統的設計。 

圖 3：采用 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )的模塊化 BMS 電子系統

其他好處

采用 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )的 BMS 有潛力提供目前有線(xiàn)系統無(wú)法提供的新功能。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )允許靈活地放置電池模塊，以及在以前不適合束線(xiàn)布線(xiàn)的地方安裝傳感器。通過(guò)簡(jiǎn)單地增加支持 SmartMesh 的傳感器，BMS 主器件也可以收集與電池充電狀態(tài) (SOC) 計算準確度有密切關(guān)系的其他數據，例如電流和溫度。SmartMesh 用幾微秒時(shí)間就能夠自動(dòng)實(shí)現每個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間同步，并準確地給每個(gè)節點(diǎn)的測量值加蓋時(shí)間戳。能夠讓車(chē)輛中不同地方的測量值與時(shí)間相關(guān)，對于更準確地計算電池充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 而言，這是一種強大的功能。在每個(gè)模塊處具本地處理能力的 SmartMesh 節點(diǎn)改善了 BMS 的運行，還有可能實(shí)現智能電池模塊，這類(lèi)模塊可以提供模塊診斷和通信，以提升組裝和服務(wù)水平。

關(guān)于 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )

SmartMesh 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品包括芯片和預先認證的 PCB 模塊，還有網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )軟件，能夠讓傳感器在嚴酷的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境中通信。

SmartMesh 產(chǎn)品經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證，有超過(guò) 5 萬(wàn)個(gè)客戶(hù)網(wǎng)絡(luò )部署在 120 個(gè)國家。通過(guò)在嚴酷的 RF環(huán)境中提供 > 99.999% 的數據可靠性，SmartMesh 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )得到了工業(yè) IoT 提供商的信任，可在無(wú)需干預的情況下連續多年可靠地提供關(guān)鍵的傳感器和控制數據。

圖 4：SmartMesh IP 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

SmartMesh 特點(diǎn)

• 經(jīng)過(guò)驗證：經(jīng)過(guò)現場(chǎng)驗證，在工業(yè) 4.0 應用中提供 >99.999% 的可靠性
• 可靠：時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格技術(shù)能基于自我診斷自動(dòng)地減少故障
• 安全：可靠的安全措施包括 NIST 認證的 AES128 加密

互連方式比較

以下方框圖突出顯示了 CAN 總線(xiàn)、isoSPI 和 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )之間不同的電氣連接方式：

圖 5：采用 CAN 總線(xiàn)的電池監視互連方式

圖 6：采用 isoSPI 的電池監視互連方式

圖 7：采用 SmartMesh WSN 的電池監視互連方式

圖 8：采用 SmartMesh WSN 的電池監視和附加傳感器的互連方式

總結

憑借領(lǐng)先的電池監視器和可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，凌力爾特公司已經(jīng)做好充分準備，能夠評估可以怎樣、何時(shí)以及在哪里部署無(wú)線(xiàn) BMS。有了 SmartMesh 無(wú)線(xiàn) BMS，就有望棄用易于需要維護的連接器、電纜和線(xiàn)束。無(wú)線(xiàn) BMS 可通過(guò) SmartMesh 的可擴展性和時(shí)間戳數據采集能力擴展 BMS 功能。凌力爾特不斷與客戶(hù)合作，以提供高性能模擬及電源解決方案。

無(wú)線(xiàn) BMS 的好處

• 無(wú)需易于需要維護的連接器、電纜和線(xiàn)束
• 允許增加新的傳感器以進(jìn)一步提高可靠性
• 簡(jiǎn)化了自動(dòng)組裝和電池維護，為設計師提供了額外的機械設計靈活性
• 允許精準地收集時(shí)間戳數據，這也可以進(jìn)一步改進(jìn) SOC / SOH 計算