電池管理系統模擬前端芯片 - ADI LTC6813介紹

為了更好地實現可持續發展，清潔能源（風，光，電）目前已成為替代傳統石油等燃料能源的最好選擇。特別是新能源電池，已經在新能源汽車動力電池和儲能模塊開始被大規模應用。特斯拉純電動車、包括國內的新能源車企已經率先進行轉型，從傳統燃油車向新能源車轉變，而動力電池作為新能源車的關鍵部件，其安全性尤為重要。

BMS 及 BMS AFE 簡介
BMS 全稱是 Battery Management System，電池管理系統。電池管理系統是電動汽車和混合動力汽車的一個關鍵組成部分。為保證電池安全可靠地運行，電池管理系統需要具備電池狀態監測和評估，充放電控制、電池均衡等功能：
?    實時監控、采集電池的狀態參數（包括但不限于單體電池電壓、電池極柱溫度、電池回路電流、電池組端電壓、電池系統絕緣電阻等）
?    對相關狀態參數進行必要的分析計算，得到更多的統狀態評估參數
?    根據特定保護控制策略，實現對電池本體的有效管控，保證整個電池單元的安全可靠運行
?    通過自身的通信接口、模擬/數字輸入輸出接口與外部其他設備進行信息交互

當檢測電芯狀態（電壓和溫度）時，我們需要用到 BMS AFE（電池管理系統模擬前端芯片），它是一種多路采樣通道的監控芯片，能對串聯的電芯進行電芯電壓和溫度的監測。模擬前端芯片一般包括16位 ADC、高精度電壓基準、高壓多路復用器、以及一個 SPI 接口，通常應用于電動汽車、高壓移動設備、備用電池系統和高壓數據采集系統。
以下將為大家介紹 ADI LTC6813 高精度鋰電池電芯采樣芯片。

ADI LTC6813 采樣芯片的特征
?    可測量多達 12 個串聯電芯的電壓，并支持菊花鏈通信
?    采樣范圍為 0V ~ 5V
?    總測量誤差不超過 2.2mV
?    使用隔離式串行通信
?    經過 AEC - Q100 認證
?    被動均衡最大可達 200mA，芯片顆配置 PWM 控制
?    有9個 GPIO 口
?    eLQFP 64 引腳封裝
?    耐壓為 112.5V
?    工作溫度范圍為 –40°C ~ 125°C
ADI LTC6813 采樣芯片最多18通道電芯采樣，支持菊花鏈雙絞線級聯，它的基本架構如下圖（圖1）所示：

 圖1 ADI LTC6813 采樣芯片基本架構

ADI LTC6813 采樣芯片的均衡功能
ADI LTC6813 采樣芯片支持內部和外部均衡，但一般建議使用外部均衡，它能支持更大電流，并且能有更好的浪涌抑制。超過 200mA 的均衡電流，我們建議也使用外部均衡，因為內部均衡會導致過熱，均衡電阻選擇通常在 20ohm ~ 60ohm。
ADI LTC6813 采樣芯片內部均衡結構，如下圖（圖2）所示：

 圖2 ADI LTC6813 采樣芯片內部均衡結構

ADI LTC6813 采樣芯片外部 MOS 均衡結構，如下圖（圖3）所示：

 圖3 ADI LTC6813 采樣芯片外部 MOS均衡結構

 LTC681x 時序介紹
ADI LTC6813 芯片提供4線 SPI 接口，能直接和 MCU 單片機連接通信，同時提供 isoSPI 2線接口，并需要 LTC6820 橋接芯片轉為 SPI 接口再和 MCU 單片機連接。LTC6813 需要接收喚醒信號之后才能正常通信：
?    如果 pin 腳 SIOMD 拉低，Port A為 SPI 模式，CSB 低有效信號會喚醒 SPI 接口
?    如果 ISOMD 拉高，Port A為 isoSPI 模式，IPA-IMA（或者IPB-IMB）的差分有效信號會喚醒 isoSPI 接口。LTC6813-1 在 tWAKE or tREADY 時間內 isoSPI 狀態變為 READY，能進行通信。
ADI LTC6813 采樣芯片不同工作模式的切換，如下圖（圖4）所示：

 圖4 ADI LTC6813 采樣芯片不同工作模式的切換

ADI LTC6813 采樣芯片喚醒時序和空閑計時器結構，如下圖（圖5）所示：

 
 圖5 ADI LTC6813 采樣芯片喚醒時序和空閑計時器結構

ADI LTC6813 內部 ADC 模式
ADI LTC6813 內部采樣 ADC 提供不同的 ADC 模式，以便應對不同的外部應用工況：
?    基于采樣速率和精度的考慮，推薦 7KHz 的 ADC 模式，ADC 有比較好的精度和比較低的總測量誤差
?    如果在實際應用場景有更低的頻率噪聲，可以選擇 1KHz 甚至 422Hz，更低的帶寬，但會增加 ADC 轉換時間
ADI LTC6813 采樣芯片內部 ADC 不同模式下，ADCV 測量18串電芯的轉換時間如下表所示：

ADI LTC6813 芯片采樣功能
ADI LTC6813 采樣芯片內部 ADC 會接收外部輸入的電芯模擬電壓信號，從而芯片內部進行數字處理：
?    ADCV 命令會執行電池電壓芯片 C0 到 C18 輸入的采樣
?    LTC6813-1內部有3個 ADC，通過復用器來采樣18串電芯電壓
?    如下圖（圖6）為常溫下用 ADI 官方 Linduino 軟件上位機讀到的電壓數據，每個電芯讀到的數據與實際電芯實測的電壓數據偏差 2mV 以內

 圖6 ADI 官方 Linduino 軟件上位機讀到的電壓數據

ADI LTC6813 采樣芯片熱插拔測試
ADI LTC6813 C18 和 S18 PIN 在電池接入時將受到影響。但如果用外部均衡 MOS 管，外部插拔造成的浪涌會因為 S pin 串聯的 4.7kohm 抑制，故 S18 pin 腳到地的電壓會較為安全，C18 pin 腳到地的電壓則因為輸入RC電路，也會很安全。LTC6813 芯片部分采樣輸入電路示意圖，如下圖（圖7）所示：

 圖7 ADI LTC6813 采樣芯片部分采樣輸入電路示意圖

isoSPI 通信介紹
菊花鏈通信已經在 BMS 中大量應用，可以支持更高的電池包電壓。LTC6820 是 MCU 單片機和 AFE 采樣芯片之間的橋接芯片，能將4線 SPI 信號轉成兩線 isoSPI 通信的信號，isoSPI 通信用變壓器或者電容隔離。ADI LTC6813 采樣芯片配合 LTC6820 菊花鏈結構接法，如下圖（圖8）所示：

 圖8 ADI LTC6813 采樣芯片配合 LTC6820 菊花鏈結構接法

 ADI LTC6813 isoSPI 菊花鏈通信測試
ADI LTC6813 采樣芯片能支持 30m 以上的菊花鏈雙絞線，通信穩固，且采樣數據精確。LTC6813 isoSPI 菊花鏈通信測試模塊組成，如下圖（圖9）所示：

 圖9 ADI LTC6813 采樣芯片 isoSPI 菊花鏈通信測試模塊組成

isoSPI IP&IM waveform 菊花鏈波形效果，如下圖（圖10）所示：

 圖10 isoSPI IP&IM waveform 菊花鏈波形效果

總結
ADI LTC6813 是一款高精度鋰電池電芯采樣芯片，采樣通道多達18串。該系列支持多路采樣，具有高精度，熱插拔性能優異，穩固通信的優勢。不少客戶應用該芯片已成功通過汽車 EMC 測試，并實現量產。為支持更高電芯電壓采樣精度，ADI 同時也在持續研發新一代電芯采樣芯片。欲了解更多技術細節和 ADI 相關方案，您可聯系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術人員愿意為您提供更詳細的技術支持。