在要求嚴格的電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合型 / 電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 市場(chǎng)的促進(jìn)下，以及在附屬的備份、便攜式儲能設備等市場(chǎng)的進(jìn)一步推動(dòng)下，出現了很多技術(shù)進(jìn)步，因此大型電池供電的能量系統¹得到了一定的采用上升速度。電池和電池化學(xué)組成的創(chuàng )新已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，然而，最先進(jìn)的電池需要細致的監視和控制，以保持大容量、長(cháng)壽命和安全性。此外，要支持數千瓦功率的系統，必須串聯(lián)連接幾十或數百個(gè)單獨的電池。因此，盡管系統可以將電池組看成是單個(gè)電源，但是每節單獨的電池必須得到仔細的管理。由于這個(gè)原因，只有運用尖端的電池管理電子產(chǎn)品，才有可能使用大型先進(jìn)的電池包。

充當電池管理器時(shí)，電池管理電子產(chǎn)品有 3 個(gè)重要任務(wù)。第一，監視每節電池的健康狀態(tài) (State-of-Health ― SOH)，電池的健康狀態(tài)通常通過(guò)監視電池的電壓、電流、溫度和運行歷史來(lái)確定。第二，通過(guò)控制系統中每節電池的充電、放電和容量平衡²，控制每節電池的充電狀態(tài) (SOC)。第三，不斷確認自身處于正常運行狀態(tài)，因為不可接受的是，電子產(chǎn)品漏掉一個(gè)可能是異常的電池狀況而沒(méi)有通知系統。這最后一個(gè)任務(wù)是實(shí)現功能安全性的關(guān)鍵因素。

很多年前，凌力爾特公司就認識到，電池管理給電子產(chǎn)品帶來(lái)了艱巨挑戰，因此開(kāi)發(fā)了一系列稱(chēng)為多節電池組監視器的集成電路。電池組監視器直接連接到一組串聯(lián)連接的電池上，其主要功能是測量每節電池的電壓，不過(guò)電池組監視器已經(jīng)逐步發(fā)展成為包括了一套日益增加的功能。多個(gè)電池組監視器可以連接到一起，以便監視非常長(cháng)的高壓電池串。

凌力爾特公司開(kāi)發(fā)的第一個(gè)電池組監視器是 LTC6802，該器件能夠以 0.25% 的最大總體測量誤差、在13ms 內對多達 12 節鋰離子電池進(jìn)行測量。很多 LTC6802 器件可以串聯(lián)連接，以同時(shí)監視非常長(cháng)的高壓電池串中之每一節電池 (圖 1)。在 LTC6802 之后，凌力爾特又開(kāi)發(fā)了 LTC6803、LTC6804 和現在最先進(jìn)的多節電池監視器 LTC6811。

圖 1：多節電池監視器的基本功能

先進(jìn)的高壓電池組監視器

LTC6811 包含一個(gè)超穩定的電壓基準、高壓多路轉換器、16 位增量累加 ADC 和一個(gè) 1Mbps 隔離式串行接口。LTC6811 以高于 0.04% 的準確度測量多達 12 節串聯(lián)連接電池的電壓。通過(guò)設置 8 個(gè)可編程 3 階低通濾波器，LTC6811 可出色地降低噪聲。在最快速 ADC 模式，所有電池都可以在 290µs 之內完成測量。

運用凌力爾特專(zhuān)有的兩線(xiàn) isoSPI™ 接口，多個(gè) LTC6811 可以互連并同時(shí)運行。isoSPI 接口集成到所有 LTC6811 中，僅使用雙絞線(xiàn)對，就可在速率高達 1Mbps 和電纜長(cháng)達 100 米時(shí)，提供很高的抗 RF 噪聲性能。該器件有兩種通信選擇。使用 LTC6811-1 時(shí)，多個(gè)器件以菊花鏈方式連接，一個(gè)主處理器連接所有器件。使用 LTC6811-2 時(shí)，多個(gè)器件并聯(lián)連接到主處理器，每個(gè)器件單獨尋址。

準確的電池電壓測量

確定電池健康狀態(tài)的基礎是非常準確的電池電壓測量。電池組監視器從電池組的一頭到另一頭，以不同的共模電壓進(jìn)行差分電池電壓測量。這就要求精確的多路轉換和模擬轉換，準確度最終由內部電壓基準決定。為了實(shí)現卓越的準確度，LTC6811 采用了一個(gè)專(zhuān)用的掩埋式齊納電壓基準。在 PCB 安裝完畢后，隨溫度、濕度、時(shí)間和工作條件變化，掩埋式齊納電壓基準提供了卓越的長(cháng)期穩定性 (圖 2)。結果是，LTC6811 能夠以少于 1.2mV 的誤差測量所有電池。

圖 2：掩埋齊納電壓基準提供卓越的溫度漂移性能

在實(shí)驗臺上實(shí)現高準確度是一回事。在存在電子噪聲的電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境中實(shí)現高準確度完全是另一回事。即使存在噪聲時(shí)，通過(guò)運用增量累加 ADC 轉換器，在 LTC6811 內部濾除電池電壓噪聲， LTC6811 也能夠確保卓越的測量準確度 (圖 3)。在轉換過(guò)程中，用增量累加轉換器對輸入進(jìn)行多次采樣，然后再進(jìn)行數字濾波。結果是，內置低通濾波消除了作為測量誤差源的噪聲，這時(shí)截止頻率是由采樣率確定的。LTC6811 采用一個(gè)具可編程采樣率和 8 個(gè)可選截止頻率的快速 3 階增量累加 ADC。結果是出色地降低了噪聲，并提供 8 種可編程測量速率，從而能夠在短至 290µs 的時(shí)間內完成全部 12 節電池的測量。

圖 3：LTC6811 增量累加轉換器

關(guān)聯(lián)測量

由于可以直接連接電池，所以對收集電池電壓測量值以及關(guān)聯(lián)電池電壓測量值與溫度和電流而言，LTC6811 具備獨特優(yōu)勢。通過(guò)其通用 I/O (GPIO)，LTC6811 可將外部傳感器測量值多路轉換至電池電壓采樣系統。LTC6811 內部的特定命令自動(dòng)地處理這種同步功能，從而可在 208μs 內實(shí)現同步。除了測量模擬輸入，LTC6811 GPIO 還可作為數字輸入和輸出運行，或者用來(lái)控制 I²C 或 SPI 從屬器件。這就使 LTC6811 能夠連接更加復雜的功能，例如用來(lái)擴展模擬輸入的多路復用器或存儲校準信息的 EEPROM。

個(gè)別電池的容量平衡

為了單獨控制每節電池的充電情況，LTC6811 采用了內部被動(dòng)平衡 FET，該 FET 可對個(gè)別電池放電，或直接控制更大的大功率外部 FET。即使個(gè)別電池接近其最大 SOC 時(shí)，這種平衡功能也使電池包級充電器能夠繼續充電。此外，在低功率狀態(tài)時(shí)，LTC6811 可配置為給電池放電，每節電池的放電輸出量均可獨立設定。這就能夠在電池監視器未啟動(dòng)時(shí)，例如在汽車(chē)停車(chē)時(shí)，實(shí)現長(cháng)時(shí)間的容量平衡。這些平衡引腳還可以作為串行接口使用，以控制凌力爾特的 LT8584 主動(dòng)平衡電路。LT8584 是一款單片反激式 DC/DC 轉換器，在電池容量失配的電池組中，允許高于 99% 的容量恢復 (圖 4)。運用 LTC6811 SPI 主器件功能，LTC6811 還可以連接凌力爾特基于 SPI 的主動(dòng)平衡 IC LTC3300。LTC3300 是一款針對故障提供保護的控制器 IC，用于實(shí)現雙向主動(dòng)平衡，可以向或從 12 節或更多相鄰電池高效率傳送電荷。

圖 4：具主動(dòng)平衡的 12 節電池組監視器

功能安全性

在電子產(chǎn)品和高能量電池系統應用的快速擴展中，人們正確地將精力集中在了解決電子產(chǎn)品的功能安全性上。ISO 26262 國際安全標準系統化地解決了汽車(chē)中由電子和電氣系統運轉失靈導致的潛在危險。這個(gè)標準要求，系統要不斷確認關(guān)鍵電子產(chǎn)品處于正常運行狀態(tài)，例如用于電池電壓測量的電子產(chǎn)品。不正確的讀數可能導致過(guò)度放電和電池劣化，或者導致過(guò)度充電，引起電池損壞或更加嚴重的后果。

LTC6811 滿(mǎn)足 ISO 26262 的要求，提供廣泛的內部診斷功能，可驗證是否處于正常運行狀態(tài)，包括：

檢測電池和監視器之間連線(xiàn)是否開(kāi)路

用輔助電壓基準確認主基準準確度在 ±5mV 以?xún)?/font>