专访：凌力尔特电池管理问答

1.    一个好的电池管理系统应涵括哪些方面？

一个优良的 BMS 必需具备以下要素：

(a)    可在存在噪声的情况下于漫长的使用期限和宽广的工作温度范围内实现精准的电压测量。

准确测量个别电池的电压对于最大限度地延长电池组的总寿命和车辆的行驶里程是非常重要的。每个个别电池的电荷状态通过测量其电压来跟踪，但新型电池化学组成具有非常平坦的放电曲线，这就要求进行精密和准确的测量。出于安全性和寿命的考虑，BMS 系统将把其电池单元的操作范围限制在其总容量的某一分数 (比如：20% 至 80%)，以避免出现过度充电和过度放电的情况。如果采用一个不太准确的测量系统，那么将要求系统为这种测量提供"保护带"，以确保各节电池的电压处在可接受的范围之内。汽车环境容易遭受严酷的条件，温度和湿度随时都在变化之中。负责把取自电池组的电能传输至电机的逆变器会产生一种噪声环境，因而使测量系统面临着更多的困难。

(b)    测量其他参数 (例如：电流和温度) 的能力。

为了及时跟踪电池组的健康状态，可将电压测量与电流和温度测量结合起来，而电流和温度测量也必须准确，并与电压测量相同步。

(c)    支持电池电荷平衡。

随着时间的推移，电池容量的细微差异和电池的老化将导致电池变至失衡状态。BMS采用被动和主动电池电荷平衡方法以平衡各节电池的电压。

(d)    稳健的通信和针对模块化设计的支持。

BMS 测量结果必须无误差地进行传送，以便能够就每节电池的充电、放电和电荷平衡做出正确的决策。对于那些将电池组分配至不同位置的模块化系统，这会是非常棘手的难题，因为模块之间的电缆上很容易存在感应噪声。

(e)    故障检测和安全。

优良的 BMS 系统将时时检查那些会引起测量误差和其他电池组问题的故障模式。其设计方式应使任何误差都可被检测出来，而且不会引发安全问题。


2.    电动车的电池模块分布不同位置，在系统层面，如何做好电池系统的管理？

由于电池测量是在局部进行的，因此模块化电池系统需采用分布式测量电子线路。尽管是物理分布型，但电池组却是作为单一系统进行管理。这要求将此类测量结果无误差地传送至一个中央处理器，由后者就电池充电、放电和电荷平衡做出决策。BMS 设计师在模块之间的电缆上进行大电流注入 (BCI) 测试以模拟存在噪声的汽车环境，从而评估数据传输对于 EMI 的敏感度。BMS IC 应采用一种可于存在噪声和进行 BCI 测试的情况下保持可靠性的通信方法。BMS IC 为实现模块化系统而应该做的其他事情包括支持与其他系统组件 (比如：用于存储局部校准和模块专用信息的 EEPROM) 的局部通信，并提供非常低的睡眠电流以实现长期模块贮存。


3.    如何解决日益复杂的电磁干扰问题？

EV/HEV 环境内部固有的显著 EMI 会破坏模块之间的通信，并可能大幅降低 BMS 测量准确度。为了在存在 EV/HEV 噪声的情况下实现模块之间的坚固通信，凌力尔特的 LTC6804 采用了一个新型两线式 isoSPI™ 接口。该 isoSPI 接口采用单根低成本双绞线来提供 BMS IC 和主机之间的通信。其通信速率可高达 1Msps，并支持长达 100m 的电缆长度。isoSPI 发送功率可针对不同的速度和距离要求轻松调节。isoSPI 接口成功地通过了严苛的 BCI 测试，从而为针对互连设备采用隔离式 CAN 提供了一种具优良抗 EMI 性能的替代方案。此外，isoSPI 接口简单的差分拓扑还可确保 EMC 固有地很低。每个 LTC6804 中都内置了 isoSPI 接口。一个配套的 LTC6820 isoSPI 接口可用于实现标准 SPI 串行数据与 isoSPI 之间的变换，从而允许将 isoSPI 扩展至一个远端微处理器。

为了在存在 EV/HEV 噪声的情况下提供高准确度的电池测量，LTC6804 内置了 ΔΣ ADC，而不是像许多同类竞争产品那样采用速度快得多的 SAR 型 ADC 转换器。这些 ΔΣ 转换器具有内置的三阶低通滤波电路。在汽车环境中，运用 ΔΣ 方法可在测量系统中提供有效的降噪。为了优化速度和降低噪声，LTC6804 的 ΔΣ ADC 能够采用不同的拐角频率 (从 27kHz 至 26Hz) 进行运作。这使得用户能够为其系统选择最佳的滤波和 ADC 速度组合。


4.    与其他竞争对手相比，凌力尔特的电池管理的产品优势体现在哪些方面？

LTC6804 提供了业界最佳的精度、稳定性、出色的灵活性和针对主动与被动电池电荷平衡的支持、坚固的低成本通信、以及丰富的故障检测功能。

(a)    可在存在噪声的情况下于漫长的使用期限和宽广的工作温度范围内实现精准的电压测量。

LTC6804 在其整个温度范围内实现了 0.04% 的最大测量准确度。这种性能水平是通过采用一个高精度的掩埋式齐纳电压基准实现的，该基准还最大限度地减小了随时间及不断变化的环境条件 (比如：湿度和温度) 而发生的漂移。我们的测试结果显示：LTC6804 的热迟滞性能优于采用带隙电压基准的器件至少达 5 倍以上。LTC6804 采用了一个高精度 16 位 ΔΣ ADC，用以对电池电压及温度、电流和其他辅助输入测量进行数字化处理。该器件具有一个内置的三阶 FIR 滤波器和多种设置，可提供 6 种不同的速度-拐角频率选项。

(b)    测量其他参数 (例如：电流和温度) 的能力。

LTC6804 具有 5 个通用的数字 I/O 或模拟输入引脚。这些引脚可用于测量诸如温度等其他参数。另外，还可把当中的一些引脚配置为 SPI 或 I2C 总线 I/O，以用于访问 EEPROM、主动电池电荷平衡 IC 或其他的可寻址器件。

(c)    支持电池电荷平衡。

LTC6804 具有支持被动电池电荷平衡的内部开关。其亦可与 LTC3300 相连接以适合主动电池电荷平衡应用。

(d)    稳健的通信和针对模块化设计的支持。

如上文所述，LTC6804 采用了一根高度坚固的两线式总线，这种被称为 isoSPI 的总线非常适合于模块之间的通信。另外，LTC6804 还允许将其 GPIO 引脚配置为 I2C 或 SPI 总线，因而能够访问一个存有模块专用校准数据的外部 EEPROM。LTC6804 的停机电流仅为 4μA，因此可实现电池组的长期贮存。

(e)    故障检测和安全。

LTC6804 是高度成功的 LTC680x 系列中的第三代产品，其具有经过证实的性能和可靠性。该器件拥有针对其内部功能块的丰富自测试功能，并利用一种导线开路检测功能实现了系统故障检查。LTC6804 能承受高达 75V 的电源电压。此器件专为符合 ISO26262 标准的系统而设计。