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电池管理系统模拟前端芯片 - ADI LTC6813介绍

作者:艾伟 时间:2022-05-27 来源:骏龙科技供稿 收藏

为了更好地实现可持续发展,清洁能源(风,光,电)目前已成为替代传统石油等燃料能源的最好选择。特别是新能源电池,已经在新能源汽车动力电池和储能模块开始被大规模应用。特斯拉纯电动车、包括国内的新能源车企已经率先进行转型,从传统燃油车向新能源车转变,而动力电池作为新能源车的关键部件,其安全性尤为重要。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202205/434587.htm

BMS 及 BMS AFE 简介
BMS 全称是 Battery Management System,是电动汽车和混合动力汽车的一个关键组成部分。为保证电池安全可靠地运行,需要具备电池状态监测和评估,充放电控制、电池均衡等功能:
•    实时监控、采集电池的状态参数(包括但不限于单体电池电压、电池极柱温度、电池回路电流、电池组端电压、电池系统绝缘电阻等)
•    对相关状态参数进行必要的分析计算,得到更多的统状态评估参数
•    根据特定保护控制策略,实现对电池本体的有效管控,保证整个电池单元的安全可靠运行
•    通过自身的通信接口、模拟/数字输入输出接口与外部其他设备进行信息交互

当检测电芯状态(电压和温度)时,我们需要用到 BMS AFE(电池管理系统芯片),它是一种多路采样通道的监控芯片,能对串联的电芯进行电芯电压和温度的监测。芯片一般包括16位 ADC、高精度电压基准、高压多路复用器、以及一个 SPI 接口,通常应用于电动汽车、高压移动设备、备用电池系统和高压数据采集系统。
以下将为大家介绍 高精度锂电池电芯采样芯片。

ADI 采样芯片的特征
•    可测量多达 12 个串联电芯的电压,并支持菊花链通信
•    采样范围为 0V ~ 5V
•    总测量误差不超过 2.2mV
•    使用隔离式串行通信
•    经过 AEC - Q100 认证
•    被动均衡最大可达 200mA,芯片颗配置 PWM 控制
•    有9个 GPIO 口
•    eLQFP 64 引脚封装
•    耐压为 112.5V
•    工作温度范围为 –40°C ~ 125°C
ADI 采样芯片最多18通道电芯采样,支持菊花链双绞线级联,它的基本架构如下图(图1)所示:

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 图1 LTC6813 采样芯片基本架构

ADI LTC6813 采样芯片的均衡功能
ADI LTC6813 采样芯片支持内部和外部均衡,但一般建议使用外部均衡,它能支持更大电流,并且能有更好的浪涌抑制。超过 200mA 的均衡电流,我们建议也使用外部均衡,因为内部均衡会导致过热,均衡电阻选择通常在 20ohm ~ 60ohm。
ADI LTC6813 采样芯片内部均衡结构,如下图(图2)所示:

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 图2 LTC6813 采样芯片内部均衡结构

ADI LTC6813 采样芯片外部 MOS 均衡结构,如下图(图3)所示:

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 图3 ADI LTC6813 采样芯片外部 MOS均衡结构

 LTC681x 时序介绍
ADI LTC6813 芯片提供4线 SPI 接口,能直接和 MCU 单片机连接通信,同时提供 isoSPI 2线接口,并需要 LTC6820 桥接芯片转为 SPI 接口再和 MCU 单片机连接。LTC6813 需要接收唤醒信号之后才能正常通信:
•    如果 pin 脚 SIOMD 拉低,Port A为 SPI 模式,CSB 低有效信号会唤醒 SPI 接口
•    如果 ISOMD 拉高,Port A为 isoSPI 模式,IPA-IMA(或者IPB-IMB)的差分有效信号会唤醒 isoSPI 接口。LTC6813-1 在 tWAKE or tREADY 时间内 isoSPI 状态变为 READY,能进行通信。
ADI LTC6813 采样芯片不同工作模式的切换,如下图(图4)所示:

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 图4 ADI LTC6813 采样芯片不同工作模式的切换

ADI LTC6813 采样芯片唤醒时序和空闲计时器结构,如下图(图5)所示:

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 图5 ADI LTC6813 采样芯片唤醒时序和空闲计时器结构

ADI LTC6813 内部 ADC 模式
ADI LTC6813 内部采样 ADC 提供不同的 ADC 模式,以便应对不同的外部应用工况:
•    基于采样速率和精度的考虑,推荐 7KHz 的 ADC 模式,ADC 有比较好的精度和比较低的总测量误差
•    如果在实际应用场景有更低的频率噪声,可以选择 1KHz 甚至 422Hz,更低的带宽,但会增加 ADC 转换时间
ADI LTC6813 采样芯片内部 ADC 不同模式下,ADCV 测量18串电芯的转换时间如下表所示:

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ADI LTC6813 芯片采样功能
ADI LTC6813 采样芯片内部 ADC 会接收外部输入的电芯模拟电压信号,从而芯片内部进行数字处理:
•    ADCV 命令会执行电池电压芯片 C0 到 C18 输入的采样
•    LTC6813-1内部有3个 ADC,通过复用器来采样18串电芯电压
•    如下图(图6)为常温下用 ADI 官方 Linduino 软件上位机读到的电压数据,每个电芯读到的数据与实际电芯实测的电压数据偏差 2mV 以内

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 图6 ADI 官方 Linduino 软件上位机读到的电压数据

ADI LTC6813 采样芯片热插拔测试
ADI LTC6813 C18 和 S18 PIN 在电池接入时将受到影响。但如果用外部均衡 MOS 管,外部插拔造成的浪涌会因为 S pin 串联的 4.7kohm 抑制,故 S18 pin 脚到地的电压会较为安全,C18 pin 脚到地的电压则因为输入RC电路,也会很安全。LTC6813 芯片部分采样输入电路示意图,如下图(图7)所示:

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 图7 ADI LTC6813 采样芯片部分采样输入电路示意图

isoSPI 通信介绍
菊花链通信已经在 BMS 中大量应用,可以支持更高的电池包电压。LTC6820 是 MCU 单片机和 AFE 采样芯片之间的桥接芯片,能将4线 SPI 信号转成两线 isoSPI 通信的信号,isoSPI 通信用变压器或者电容隔离。ADI LTC6813 采样芯片配合 LTC6820 菊花链结构接法,如下图(图8)所示:

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 图8 ADI LTC6813 采样芯片配合 LTC6820 菊花链结构接法

 ADI LTC6813 isoSPI 菊花链通信测试
ADI LTC6813 采样芯片能支持 30m 以上的菊花链双绞线,通信稳固,且采样数据精确。LTC6813 isoSPI 菊花链通信测试模块组成,如下图(图9)所示:

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 图9 ADI LTC6813 采样芯片 isoSPI 菊花链通信测试模块组成

isoSPI IP&IM waveform 菊花链波形效果,如下图(图10)所示:

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 图10 isoSPI IP&IM waveform 菊花链波形效果

总结
ADI LTC6813 是一款高精度锂电池电芯采样芯片,采样通道多达18串。该系列支持多路采样,具有高精度,热插拔性能优异,稳固通信的优势。不少客户应用该芯片已成功通过汽车 EMC 测试,并实现量产。为支持更高电芯电压采样精度,ADI 同时也在持续研发新一代电芯采样芯片。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案,您可联系骏龙科技各地办事处。骏龙科技的技术人员愿意为您提供更详细的技术支持。
 



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