電動(dòng)汽車(chē)搬運工

如果您還沒(méi)有駕駛電動(dòng)汽車(chē) （EV）——混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) （HEV）、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV） 或全電動(dòng)汽車(chē)——那么很有可能，您可能很快就會(huì )駕駛。里程焦慮已成為過(guò)去。您現在可以幫助保護環(huán)境，而不必擔心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來(lái)抵消電動(dòng)汽車(chē)的溢價(jià)，希望引導您遠離購買(mǎi)內燃機（ICE）汽車(chē)。一些政府已經(jīng)采取措施，要求汽車(chē)制造商制造和銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē)，希望市場(chǎng)最終將由它們主導，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(dòng)到2030年禁止內燃機汽車(chē)。

在汽車(chē)歷史的大部分時(shí)間里，創(chuàng )新都集中在提高內燃機的燃油燃燒效率，清理排放，同時(shí)提供舒適的用戶(hù)體驗。然而，內燃機汽車(chē)最近的絕大多數創(chuàng )新都是電子技術(shù)進(jìn)步的直接結果——底盤(pán)系統、動(dòng)力總成、自主和高級駕駛輔助系統（ADAS）、信息娛樂(lè )和安全系統的改進(jìn)。電動(dòng)汽車(chē)具有許多與內燃機汽車(chē)相同的電子系統，當然還有傳動(dòng)系統本身。根據美光科技的數據，電動(dòng)汽車(chē)價(jià)值的電子部分高達75%，隨著(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步不斷降低各種電子模塊和子系統的成本，這一部分也在增加。即使是非傳統的汽車(chē)廠(chǎng)商，如英特爾，也在尋找其中的一部分。

毫不奇怪，在電動(dòng)汽車(chē)的所有電子子系統中，制造商和消費者都關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)的核心，即電池系統。電池系統包括可充電電池本身（鋰離子）是當前標準，以及電池管理系統（BMS），該系統通過(guò)監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)器監控

BMS的主要功能是監控電池的狀態(tài)，或者在電動(dòng)汽車(chē)的情況下，監控非常大的電池組或電池組的狀態(tài)。BMS 通常監控單個(gè)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，準確監控這些參數通�？梢赞D化為更好的駕駛體驗，駕駛員可以充分了解實(shí)時(shí)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，并與其他設備安全通信。EV BMS 的其他職責包括將能量回收回電池組（即再生制動(dòng)）、平衡電池、保護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（例如充電器、負載、熱管理和緊急關(guān)機）通信。

汽車(chē)制造商使用多種 BMS 監控拓撲來(lái)滿(mǎn)足他們對準確性、可靠性、易于制造、成本和功率要求的需求。例如，圖1所示的分布式拓撲強調本地智能的高精度，串聯(lián)電池組的高可制造性，以及通過(guò)低功耗SPI和isoSPI接口實(shí)現IC間通信的低功耗和高可靠性。

圖1中的拓撲包括一個(gè)EV電池組監視器（在本例中為ADI公司的LTC2949），用于低側電流檢測配置，其中isoSPI通信線(xiàn)路與底部電池監視器（LTC6811-1）并聯(lián)。為了增強可靠性，可以通過(guò)將第二個(gè)isoSPI收發(fā)器連接到電池組頂部并創(chuàng )建可在兩個(gè)方向上通信的環(huán)形拓撲來(lái)實(shí)現雙通信方案。與 SPI 主控制器的隔離通信通過(guò)一個(gè)LTC6820isoSPI 至 SPI 信號轉換器實(shí)現。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節電池監視器可用于測量多達6、12、15或18節串聯(lián)電池的單個(gè)電壓，而單個(gè)LTC2949則用于測量總電池組參數。LTC681x 和 LTC2949 共同構成了一個(gè)全面的 EV BMS 監控解決方案 — 對于某些人來(lái)說(shuō)，該電路可能更廣為人知的是 BMS 的模擬前端 （AFE）。

圖1.采用電池監控器 （LTC6811-1） 和電動(dòng)汽車(chē)電池組（LTC2949） 的分布式 EV BMS 監控拓撲。

EV電池組監視器是專(zhuān)為EV設計的高精度電流、電壓、溫度、電荷、功率和電能表。通過(guò)測量這些關(guān)鍵參數，系統設計人員具備了計算整個(gè)電池組的實(shí)時(shí)SOC和SOH以及其他品質(zhì)因數的基本要素。圖 2 示出了用于高端電流檢測配置的 LTC2949 的框圖。其中，LTC2949采用可調浮動(dòng)拓撲，使其能夠監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(guò)一個(gè)具有 V 的LT8301隔離式反激式轉換器提供抄送連接到電池正極。

電動(dòng)汽車(chē)電池組監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(gè) ADC 中，有兩個(gè) 20 位 ADC 可用于測量?jì)蓚�(gè)檢測電阻器兩端的電壓 （如圖 2 所示），并以 0.3% 的準確度推斷流經(jīng)兩個(gè)獨立電源軌的電流;失調小于1 μV時(shí)，可提供高動(dòng)態(tài)范圍。同樣，以高達18位和0.4%的精度測量電池組總電壓。兩個(gè)專(zhuān)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。最后的 15 位 ADC 可用于測量多達 12 個(gè)輔助電壓，便于與外部溫度傳感器或電阻分壓器配合使用。使用內置多路復用器，該監視器可以在 12 個(gè)緩沖輸入中的任何一對之間執行差分軌到軌電壓測量，精度為 0.4%。

為了簡(jiǎn)化設置，監視器的五個(gè)ADC形成三個(gè)數據采集通道。每個(gè)通道可以配置為兩種速度之一，具體取決于應用，如表 1 所示。例如，兩個(gè)通道可用于監控單個(gè)分流電阻器：一個(gè)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(gè)用于快速（782 μs）電流快照，與電池組電壓測量同步，用于阻抗跟蹤或預充電測量�；蛘�，通過(guò)兩個(gè)獨立通道監控的兩個(gè)不同尺寸的分流電阻（如圖2所示），允許用戶(hù)平衡每個(gè)分流器的精度和功率損耗。同時(shí)，第三個(gè)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(gè)可配置輸入（堆棧電壓、芯片溫度、電源電壓和基準電壓）進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)（RR）測量。

表 1.LTC2949 的三個(gè)數據采集通道的配置選項

由于 SOH 是電池（或電池組）生命周期中的一個(gè)點(diǎn)，也是衡量其相對于新電池的狀況的指標，因此使用精確的 EV BMS 監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(shuō)到電池壽命，LTC2949在導通時(shí)僅消耗16 mA，在睡眠時(shí)僅消耗8 μA。當監視器的三個(gè)數據采集通道中的任何一個(gè)配置為快速模式（782 μs轉換時(shí)間和15位分辨率）時(shí)，監視器可以將其電池組電壓和電流測量值與任何LTC681x多節電池監視器的電池電壓測量值同步，以推斷單個(gè)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，因為最弱的電池最終決定了整個(gè)堆棧的SOH。

數字優(yōu)勢

電動(dòng)汽車(chē)監控器的數字功能包括過(guò)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(hù)定義限值的警報。這使BMS控制器和總線(xiàn)免于連續輪詢(xún)監視器以獲取電壓和電流數據的任務(wù)，以及根據結果執行計算的額外任務(wù)。通過(guò)以過(guò)采樣ADC時(shí)鐘速率（預抽取濾波器）采集功率樣本，而不是乘以平均值，該監視器可在電流和電壓變化遠超其轉換速率的情況下準確測量功率，信號高達50 kHz。

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

由于監視器跟蹤電流、電壓、功率和溫度數據的最小值和最大值，因此總線(xiàn)和主機可以將時(shí)鐘周期用于其他任務(wù)，而不是連續輪詢(xún)監視器。除了檢測和存儲最小值和最大值外，監視器還可以在超過(guò)任何用戶(hù)定義的閾值時(shí)發(fā)出警報，再次將主控制器和總線(xiàn)從輪詢(xún)任務(wù)中釋放出來(lái)。監視器還可以在提供指定量的能量或電荷后，或者在經(jīng)過(guò)預設的時(shí)間量后生成溢出警報。

為確保監控精度，該監視器提供可編程增益校正因子以補償測量組件的容差：兩個(gè)用于分流電阻器、一個(gè)電池分壓器和四個(gè)多路復用輸入。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(chǎng)校準。該監視器還可以通過(guò)求解具有可編程系數的斯坦哈特-哈特方程，對多達兩個(gè)外部NTC熱敏電阻的溫度讀數進(jìn)行線(xiàn)性化;然后，這些讀數可用于自動(dòng)對分流電阻讀數進(jìn)行溫度補償。通過(guò)持續補償容差和溫度影響，不僅可以提高監控精度，還可以使用成本更低的外部元件。

標準SPI接口可用于直接MCU連接，isoSPI接口提供標準芯片級SPI的物理層適配，釋放出經(jīng)濟高效的分布式封裝架構的全部潛力。isoSPI 專(zhuān)為高電壓和高噪聲系統而設計，僅使用一根雙絞線(xiàn)電纜和一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖變壓器，即可在長(cháng)達 100 米的電纜上提供高達 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(gè)元件的架構。

圖3.采用 isoSPI 配置的架構。

結論

電動(dòng)汽車(chē)已成為主流，導致大批量采用的拐點(diǎn)。為了保持競爭力，系統設計人員需要密切關(guān)注電池和BMS技術(shù)，這些技術(shù)對最終用戶(hù)體驗有著(zhù)深遠的影響。電動(dòng)汽車(chē)電池組監控器簡(jiǎn)化了多種電池堆監控拓撲和配置的處理。幾乎在任何電壓和任何電流水平下，監視器都能實(shí)現高性能、安全、靈活和可靠的電池管理系統。通過(guò)準確讀取電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時(shí)間，可立即準確評估電池 SOH 和 SOC。關(guān)鍵最小值、最大值和警報可以通過(guò) isoSPI 接口進(jìn)行測量、計算和報告。這減少了對主機資源、總線(xiàn)設計和測試以及軟件設計的需求。一些數字功能包括乘法器、累加器、最小/最大寄存器、可配置警報和外部元件容差/溫度補償。LTC2949 等監視器專(zhuān)為獨立工作或與任何多節電池監視器配合使用而設計，可滿(mǎn)足對下一代 EV BMS 的關(guān)鍵需求，同時(shí)滿(mǎn)足嚴格的 AEC-Q100 準則和 ISO 26262 安全標準。