如果您還沒有駕駛電動汽車 （EV）——混合動力電動汽車 （HEV）、插電式混合動力汽車 （PHEV） 或全電動汽車——那么很有可能，您可能很快就會駕駛。里程焦慮已成為過去。您現(xiàn)在可以幫助保護環(huán)境，而不必擔(dān)心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來抵消電動汽車的溢價，希望引導(dǎo)您遠離購買內(nèi)燃機（ICE）汽車。一些政府已經(jīng)采取措施，要求汽車制造商制造和銷售電動汽車，希望市場最終將由它們主導(dǎo)，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)在推動到2030年禁止內(nèi)燃機汽車。

在汽車歷史的大部分時間里，創(chuàng)新都集中在提高內(nèi)燃機的燃油燃燒效率，清理排放，同時提供舒適的用戶體驗。然而，內(nèi)燃機汽車最近的絕大多數(shù)創(chuàng)新都是電子技術(shù)進步的直接結(jié)果——底盤系統(tǒng)、動力總成、自主和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、信息娛樂和安全系統(tǒng)的改進。電動汽車具有許多與內(nèi)燃機汽車相同的電子系統(tǒng)，當然還有傳動系統(tǒng)本身。根據(jù)美光科技的數(shù)據(jù)，電動汽車價值的電子部分高達75%，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步不斷降低各種電子模塊和子系統(tǒng)的成本，這一部分也在增加。即使是非傳統(tǒng)的汽車廠商，如英特爾，也在尋找其中的一部分。?

毫不奇怪，在電動汽車的所有電子子系統(tǒng)中，制造商和消費者都關(guān)注電動汽車的核心，即電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身，鋰離子（Li-Ion）是當前標準，以及電池管理系統(tǒng)（BMS），該系統(tǒng)最大限度地提高了電池的使用和安全性。ADI公司的BMS解決方案是監(jiān)控它們的標準。ADI公司的LTC2949 EV電池組監(jiān)視器是各種智能BMS IC產(chǎn)品組合的最新成員，正在推動下一代EV BMS設(shè)計。

裸金屬服務(wù)器監(jiān)控

BMS的主要功能是監(jiān)控電池的狀態(tài)，或者在電動汽車的情況下，監(jiān)控非常大的電池組或電池組的狀態(tài)。BMS 通常監(jiān)控單個電池和電池組電壓、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(jiān)控這些參數(shù)通?？梢赞D(zhuǎn)化為更好的駕駛體驗，駕駛員可以充分了解實時電池狀況。

為了提高效率，BMS 測量電路（例如新型 LTC2949 封裝監(jiān)視器）必須精確而快速、具有高共模電壓抑制、低功耗并與其他器件安全通信。EV BMS 的其他職責(zé)包括將能量回收回電池組（即再生制動）、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(tǒng)（例如充電器、負載、熱管理和緊急關(guān)機）通信。

汽車制造商使用多種 BMS 監(jiān)控拓撲來滿足他們對準確性、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(diào)本地智能的高精度，串聯(lián)電池組的高可制造性，以及低功耗SPI和isoSPI的低功耗和高可靠性。唰唰??用于 IC 間通信的接口。

此處，LTC2949 用于低側(cè)電流檢測配置，其中 isoSPI 通信線路與底部的 LTC6811-1 電池監(jiān)視器并聯(lián)。為了增強可靠性，可以通過將第二個isoSPI收發(fā)器連接到電池組頂部并創(chuàng)建可在兩個方向上通信的環(huán)形拓撲來實現(xiàn)雙通信方案。與 SPI 主控制器的隔離通信通過一個 LTC6820 isoSPI 至 SPI 信號轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節(jié)電池監(jiān)視器可用于測量多達6、12、15或18節(jié)串聯(lián)電池的單個電壓，而單個LTC2949則用于測量總電池組參數(shù)。LTC681x 和 LTC2949 共同構(gòu)成了一個全面的 EV BMS 監(jiān)控解決方案 — 對于某些人來說，該電路可能更廣為人知的是 BMS 的模擬前端 （AFE）。

圖1.采用 LTC6811-1 和 LTC2949 的分布式 EV BMS 監(jiān)視拓撲。

LTC?2949 是一款專為 EV 設(shè)計的高精度電流、電壓、溫度、充電、功率和電能表。通過測量這些關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計人員具備了計算整個電池組的實時SOC和SOH以及其他品質(zhì)因數(shù)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(diào)浮動拓撲，使其能夠監(jiān)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 的電源通過一個具有 V 的 LT8301 隔離式反激式轉(zhuǎn)換器提供抄送連接到電池正極。

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

模擬領(lǐng)先

雖然驅(qū)動器會欣賞LTC2949的數(shù)字輸出和準確度，但系統(tǒng)設(shè)計人員會欣賞LTC2949的模擬性能及其與幾乎任何EV BMS的無縫集成。LTC2949 的核心是 5 個軌至軌、低失調(diào)、Σ-Δ （∑-Δ） ADC，以確保準確的電壓測量。在五個ADC中，兩個20位ADC可用于測量兩個檢測電阻兩端的電壓（如圖2所示），并以令人印象深刻的0.3%精度推斷流經(jīng)兩個獨立電源軌的電流;LTC2949失調(diào)小于1 μV，還提供極高的動態(tài)范圍。同樣，以高達18位和0.4%的精度測量電池組總電壓。兩個專用功率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(shù)。最后的 15 位 ADC 可用于測量多達 12 個輔助電壓，便于與外部溫度傳感器或電阻分壓器配合使用。利用一個內(nèi)置多路復(fù)用器，LTC2949 能夠以 0.4% 的準確度在 12 個緩沖輸入中的任何一對之間執(zhí)行差分軌至軌電壓測量。

為了簡化設(shè)置，LTC2949 的 5 個 ADC 構(gòu)成了三個數(shù)據(jù)采集通道。每個通道可以配置為兩種速度之一，具體取決于應(yīng)用，如表 1 所示。例如，兩個通道可用于監(jiān)控單個分流電阻器：一個通道用于慢速（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(yù)充電測量?；蛘撸ㄟ^兩個獨立通道監(jiān)控的兩個不同尺寸的分流電阻（如圖2所示），允許用戶平衡每個分流器的精度和功率損耗。同時，第三個輔助通道可以對可選緩沖輸入進行快速測量，也可以對兩個可配置輸入（堆棧電壓、芯片溫度、電源電壓和基準電壓）進行自動循環(huán)（RR）測量。

當LTC2949的三個數(shù)據(jù)采集通道中的任何一個配置為快速模式（782 μs轉(zhuǎn)換時間和15位分辨率）時，LTC2949可以將其電池組電壓和電流測量值與來自任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)視器的電池電壓測量值同步，以推斷單個電池阻抗、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堆棧的SOH。

由于 SOH 是電池（或電池組）生命周期中的一個點，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(jiān)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，這一點很重要。說到電池壽命，LTC2949在導(dǎo)通時僅消耗16 mA，在睡眠時僅消耗8 μA。

數(shù)字優(yōu)勢

LTC2949 的數(shù)字特性包括一個過采樣乘法器和累加器（產(chǎn)生 18 位功率值）以及 48 位能量和充電值 — 報告最小值和最大值，以及基于用戶定義的限值的警報。這樣，BMS 控制器和總線就不必連續(xù)輪詢 LTC2949 以獲取電壓和電流數(shù)據(jù)，也無需根據(jù)結(jié)果執(zhí)行計算。通過以過采樣ADC時鐘速率（預(yù)抽取濾波器）采集功率樣本，而不是乘以平均值，LTC2949可在電流和電壓變化遠超出其轉(zhuǎn)換速率的情況下準確測量功率，信號高達50 kHz。

由于 LTC2949 跟蹤電流、電壓、功率和溫度數(shù)據(jù)的最小值和最大值，因此總線和主機可以將時鐘周期用于其他任務(wù)，而不是連續(xù)輪詢 LTC2949。除了檢測和存儲最小值和最大值外，LTC2949 還可以在超過任何用戶定義的門限時發(fā)出警報 — 再次將主機控制器和總線從輪詢?nèi)蝿?wù)中釋放出來。LTC2949 還可在提供指定量的能量或電荷后，或在經(jīng)過預(yù)設(shè)時間量后產(chǎn)生溢出警報。

為確保監(jiān)視準確度，LTC2949 提供了可編程增益校正因數(shù)以補償測量組件的容差：兩個用于分流電阻器、一個電池分壓器和四個多路復(fù)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行工廠校準。此外，LTC2949 可通過求解具有可編程系數(shù)的斯坦哈特-哈特方程，對多達兩個外部 NTC 熱敏電阻的溫度讀數(shù)進行線性化;然后，這些讀數(shù)可用于自動對分流電阻讀數(shù)進行溫度補償。通過持續(xù)補償容差和溫度影響，不僅可以提高監(jiān)控精度，還可以使用成本更低的外部元件。

LTC2949 上有一個標準 SPI 接口，用于直接連接 MCU。ADI專有的isoSPI接口也存在。isoSPI是標準芯片級SPI的物理層改編，可釋放經(jīng)濟高效的分布式封裝架構(gòu)的全部潛力。isoSPI 專為高電壓和高噪聲系統(tǒng)而設(shè)計，僅使用一根雙絞線電纜和一個簡單的脈沖變壓器，即可在長達 100 米的電纜上提供高達 1 Mbps 的安全、可靠的信息傳輸。isoSPI也比其他板載隔離解決方案便宜。圖 3 示出了 LTC2949 如何利用 isoSPI 以及 LTC6811-1 作為菊花鏈或可尋址并聯(lián)配置中的最后一個元件。

圖3.LTC2949 異位 SPI 配置。

結(jié)論

電動汽車已成為主流，導(dǎo)致大批量采用的拐點。為了保持競爭力，系統(tǒng)設(shè)計人員需要密切關(guān)注電池和BMS技術(shù)，這些技術(shù)對最終用戶體驗有著深遠的影響。LTC2949 是 ADI 進軍 BMS 監(jiān)控領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，可輕松滿足多種堆棧監(jiān)控拓撲和配置的需求。在幾乎任何電壓和任何電流水平下，LTC2949 都能實現(xiàn)高性能、安全、靈活和可靠的電池管理系統(tǒng)。通過準確讀取電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時間，可立即準確評估電池 SOH 和 SOC。LTC2949 的模擬能力與其對可用數(shù)字輸出的高速處理相匹配。關(guān)鍵最小值、最大值和警報可通過一個防彈 isoSPI 接口進行測量、計算并報告給 LTC2949。這減少了對主機資源、總線設(shè)計和測試以及軟件設(shè)計的需求。一些數(shù)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 專為獨立工作或與任何 LTC681x 多節(jié)電池監(jiān)視器配合使用而設(shè)計，可滿足對下一代 EV BMS 的關(guān)鍵需求，同時滿足嚴格的 AEC-Q100 準則和 ISO 26262 安全標準。

審核編輯：郭婷