電動汽車

 

如果您尚未駕駛過電動汽車(EV)，包括混合動力電動汽車(HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)hequandiandongqiche
，namehenkenengninjiukuaiyaokaishangle。lichengjiaolvyichengweiguoqu。xianzai，ninkeyibangzhubaohuhuanjing，erbubidanxinxianzaiqizhong。shijiegedidezhengfudoutigonglekangkaidecaizhengjilicuoshiyidixiaodiandongqichedegaojia，xiwangnenggouyindaoxiaofeizhebugoumaineiranji(ICE)汽qi車che。有you些xie政zheng府fu已yi采cai取qu措cuo施shi強qiang製zhi汽qi車che製zhi造zao商shang製zhi造zao和he銷xiao售shou電dian動dong汽qi車che，希xi望wang市shi場chang最zui終zhong由you電dian動dong汽qi車che主zhu導dao
，而er有you些xie政zheng府fu則ze製zhi定ding了le更geng明ming確que的de目mu標biao。例li如ru，德de國guo已yi經jing努nu力li推tui動dong在zai2030年之前禁止ICE汽車。

 

在汽車的大部分曆史中，創新一直聚焦於提供舒適的用戶體驗，提高ICE的燃油燃燒效率
，以及使排放物更清潔。然而，ICE汽車的最近創新的絕大部分是電子技術進步的直接結果，包括底盤係統、動力傳動係統
、自動駕駛和高級駕駛員輔助係統(ADAS)
、信息娛樂和安全係統的改進。EV的許多電子係統與ICE車輛相同，當然還有傳動係統本身。根據Micron Technology的數據，電動汽車價值中的電子部分高達75%，隨著半導體技術持續發展
，導致各種電子模塊和子係統的成本不斷降低，該部分的價值會越來越高。甚至非傳統的汽車玩家，例如Intel®，也要分一杯羹。

 

毫不奇怪，在電動汽車的所有電子子係統中
，製造商和消費者都特別關注電動汽車的心髒——電池係統。電池係統包括可充電電池本身——鋰離子(Li-Ion)電池是當前主流——及電池管理係統(BMS)，後者旨在最大程度地提高電池使用率和安全性。ADI公司的BMS解決方案是電池監控的主流產品。ADI公司通過豐富的智能BMS IC產品係列來提升新一代EV BMS設計
， LTC2949 EV電池組監控器是其最新產品。

 

BMS監控

 

BMS的主要功能是監控電池狀態，對電動汽車而言
，就是監視超大電池組或電池堆。BMS通常監控單個電芯和電池組的電壓、電流、溫度、荷電狀態(SOC)
、健康狀態(SOH)及其他相關功能
，例如冷卻液流量。BMS除了具有明顯的安全和性能優勢外，精確監控這些參數一般還能帶來更好的駕駛體驗
，讓駕駛員充分了解電池實時狀況。

 

為了獲致成效，BMS測量電路（例如新型LTC2949電池組監控器）必須精準快速，具有高共模電壓抑製能力，功耗低，並能與其他器件安全通信。EV BMS的其他任務包括：將能量回收到電池組中（即再生製動），平衡電芯
，保護電池組免受危險電壓
、電流和溫度水平的影響
，以及與其他子係統（如充電器、負載
、熱管理
、緊急關停）通信。

 

汽車製造商使用多種BMS監視拓撲來滿足其對準確性、可靠性、易製造性、成本和功耗的需求。例如，圖1所示的分布式拓撲具有以下突出特點：通過本地智能實現高精度，串聯電池組提供高可製造性，以及通過低功耗SPI和isoSPI™接口進行IC間通信，實現最低功耗和高可靠性。

 

其中
，LTC2949用於低端電流檢測配置，isoSPI通信線路與底部的電池監視器LTC6811-1 並行。為了提高可靠性，可以將第二個isoSPI收發器連接到電池組的頂部，創建一個支持雙向通信的環形拓撲，從而實現雙通道通信方案。與SPI主控製器的隔離通信通過 LTC6820 isoSPI轉SPI信號轉換器實現。ADI公司的可堆疊LTC681x係列多節電池監控器可用於測量多達6
、12、15或18節串聯電芯各自的電壓

，而單個LTC2949用於測量總電池堆參數。LTC681x和LTC2949共同構成一個全麵的EV BMS監控解決方案；對有些人來說，該電路的更熟悉名稱是BMS模擬前端(AFE)。

 

圖1.采用LTC6811-1和LTC2949的分布式EV BMS監控拓撲。

 

LTC2949專為EV設計，是一款高精度電流
、電壓、溫度、電荷、功率、電能計量器件。通過測量這些關鍵參數，係統設計人員就有了必要的數據來計算整個電池堆的實時SOC和SOH以及其他品質因數。圖2給出了用在高邊電流檢測配置中的LTC2949的框圖。這裏，LTC2949采用可調浮動拓撲
，因而能夠監視電壓非常高的電池堆
，而不受其自身的14.5 V電壓額定值的束縛。LTC2949的電源通過 LT8301 隔離反激式轉換器提供，VCC連接到電池正極。

 

圖2.高邊電流檢測配置中LTC2949浮動EV電池監控器的典型連接。LTC2949的電源由LT8301反激式轉換器提供


，VCC連接到電池正極。

 

超越模擬

 

駕駛員會喜歡LTC2949的數字輸出和精度
，而係統設計人員會喜歡LTC2949的模擬性能以及將其無縫集成到幾乎所有EV BMS中的能力。LTC2949的核心是五個軌到軌、低失調、Σ-Δ ADC，可確保精確測量電壓。在這五個ADC中，兩個20位ADC可用來測量兩個檢測電阻上的電壓（如圖2所示），並以令人吃驚的0.3%精度推斷出流過兩個獨立電源軌的電流。LTC2949具有小於1 µV的失調電壓，而且能提供異常高的動態範圍。同樣，電池堆的總電壓測量可達18位和0.4%的精度。兩個專用功率ADC檢測分流和電池堆電壓輸入
，產生精度為0.9%的功率讀數。最後一個15位ADC可用來測量多達12個輔助電壓，方便與外部溫度傳感器或電阻分壓器一起使用。利用內置多路複用器，LTC2949可在12個緩衝輸入的任何一對之間以0.4%的精度執行差分軌到軌電壓測量。

 

為了簡化設置，LTC2949的五個ADC形成三個數據采集通道。每個通道可以根據應用需要配置為兩種速度之一
，如表1所示。例如，可以使用兩個通道監視單個分流電阻：一個通道用於慢速(100 ms)高精度電流

、功率、電荷和電能測量；另一個用於快速(782μs)電流快照，與電池堆電壓測量同步，以進行阻抗跟蹤或預充電測量。或者，兩個獨立通道監視兩個不同大小的分流電阻（同樣如圖2所示），使shi得de用yong戶hu可ke以yi平ping衡heng每mei個ge分fen流liu電dian阻zu的de精jing度du和he功gong率lv損sun耗hao。同tong時shi
，第di三san個ge輔fu助zhu通tong道dao可ke以yi對dui可ke選xuan的de緩huan衝chong輸shu入ru進jin行xing快kuai速su測ce量liang，或huo者zhe對dui兩liang個ge可ke配pei置zhi輸shu入ru（堆電壓、芯片溫度、電源電壓和基準電壓）進行自動輪循(RR)測量。

 

表1.LTC2949三個數據采集通道的配置選項

 

當LTC2949的三個數據采集通道中的任何一個被配置為快速模式（782μs轉換時間和15位分辨率）時

，LTC2949可以將其電池堆電壓和電流測量與任何LTC681x多節電池監控器的電池電壓測量同步


，以推斷出單個電芯的阻抗、壽命和SOH。有了這些信息，就可以評估電池堆壽命，因為最弱的電芯最終決定整個電池堆的SOH。

 

SOH是在電池（或電池堆）生命周期的某一時刻對其狀況（相對於新電池）的測量
，因此使用精確的EV BMS監控器很重要
，這不僅是為了最大程度地延長行駛裏程，也是為了最大程度地減少電池意外故障。說到電池壽命，LTC2949在開啟時僅消耗16 mA電流，而在睡眠時僅消耗8 µA電流。

 

數字優勢

 

LTC2949的數字特性包括一個過采樣乘法器和累加器
，產生18位的功率值和48位的電能與電荷值
，報告最小值和最大值以及基於用戶自定義限值的警報。這就免除了BMS控製器和總線不斷輪詢LTC2949以獲得電壓和電流數據的任務，而且免除了基於結果執行計算的額外任務。LTC2949以過采樣ADC時鍾速率（預抽取濾波器）進行功率采樣
，而不是乘以平均值，故而在電流和電壓變化遠超其轉換速率的情況下可以準確測量功率，信號頻率最高可達50kHz。

 

LTC2949跟蹤電流、電壓
、功率和溫度數據的最小值和最大值，所以總線和主機可以將時鍾周期花在其他任務上，而不用持續輪詢LTC2949。除了檢測並存儲最小值和最大值之外
，LTC2949還hai可ke以yi在zai超chao出chu用yong戶hu自zi定ding義yi閾yu值zhi時shi發fa出chu警jing報bao，這zhe同tong樣yang會hui免mian除chu主zhu機ji控kong製zhi器qi和he總zong線xian的de輪lun詢xun任ren務wu。在zai提ti供gong指zhi定ding的de電dian能neng或huo電dian荷he量liang之zhi後hou，或huo者zhe經jing過guo預yu設she的de時shi間jian量liang之zhi後hou，LTC2949也能產生溢出警報。

 

為確保監控精度，LTC2949提供了多個可編程增益校正因子來補償測量器件的容差：兩個校正因子用於分流電阻
、一個電池分壓器和四個多路複用輸入。這些校正因子可以存儲在外部EEPROM中
，支持通過模塊化方法對電池組進行出廠校準。此外，LTC2949可以線性化最多兩個外部NTC熱敏電阻的溫度讀數
，即通過求解帶可編程係數的Steinhart-Hart方程；這zhe些xie讀du數shu隨sui後hou可ke用yong於yu對dui分fen流liu電dian阻zu讀du數shu進jin行xing自zi動dong溫wen度du補bu償chang。通tong過guo持chi續xu補bu償chang容rong差cha和he溫wen度du影ying響xiang，不bu僅jin可ke以yi提ti高gao監jian測ce精jing度du
，而er且qie可ke以yi使shi用yong成cheng本ben較jiao低di的de外wai部bu器qi件jian。

 

LTC2949上有一個標準SPI接口用於直接連接MCU。另外還有ADI公司專有的isoSPI接口。isoSPI對標準芯片級SPI的物理層進行了調適
，以充分發揮經濟高效的分布式電池組架構的潛力。isoSPI針對高電壓和高噪聲係統而設計，可在長達100米的電纜上提供高達1 Mbps的安全可靠的信息傳輸
，僅使用單根雙絞線電纜和簡單的脈衝變壓器。isoSPI還比其他板載隔離解決方案便宜。圖3顯示了LTC2949如何利用isoSPI
，其與LTC6811-1一起用作菊花鏈或可尋址並行配置中的最後一個元件。

 

圖3.LTC2949 isoSPI配置

 

結論

 

電動汽車漸成主流
，大規模應用的拐點已經到來。為了保持競爭力
，係統設計人員需要密切關注電池和BMS技術，這些技術會深刻影響終端用戶的體驗。LTC2949是ADI公司在BMS監控領域的最新嚐試，它能輕鬆應對多種電池堆監控拓撲和配置。在幾乎任何電壓和任何電流水平下
，LTC2949都能實現高性能
、安全、靈活、可靠的電池管理係統。通過準確讀取電流、電壓
、功率、電能、電荷
、溫度和時間，可以立即獲得對電池SOH和SOC的精確評估。LTC2949除具有強大的模擬能力外，還能對可用數字輸出進行高速處理。關鍵的最小值
、最大值和警報可以測量

、計算並通過魯棒的isoSPI接口報告給LTC2949。因此
，對主機資源、總線設計和測試以及軟件設計的要求得以降低。該器件的一些數字特性包括乘法器、累加器、最小值/最大值寄存器、可配置的警報以及外部器件容差/溫度補償。LTC2949設計為獨立工作或與任何LTC681x多節電池監控器配合使用，在滿足嚴格的AEC-Q100準則和ISO 26262安全標準的同時，滿足了對下一代EV BMS的迫切需求。

 

 

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