隨著混合動(dòng)力或動(dòng)力汽車的普及，給車輛提供可靠及安全的供電成為關(guān)鍵，本文主要是結(jié)合凌力爾特公司電池監(jiān)視IC為例，分析如何通過對(duì)電池的監(jiān)視和控制使汽車電池組實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)壽命和高可靠性。無線電池管理系統(tǒng)(BMS)有望進(jìn)一步提高整個(gè)電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　為了給車輛提供充足的電力，需要數(shù)十或數(shù)百節(jié)電池配置成一長(zhǎng)串，以產(chǎn)生高達(dá) 1000V 或更高的電壓。電池電子系統(tǒng)必須以這種高電壓運(yùn)行，并抑制共模電壓效應(yīng)，同時(shí)對(duì)電池串中的每節(jié)電池分別地加以測(cè)量和控制。這些電子系統(tǒng)必須能夠從電池組中的每節(jié)電池向中央處理點(diǎn)發(fā)送信息。

　　如果希望鋰離子電池能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，就需要相當(dāng)小心，以避免使其過度運(yùn)行，導(dǎo)致其充電狀態(tài)(SOC)達(dá)到極端點(diǎn)。隨著時(shí)間推移和使用量增加，鋰離子電池的容量會(huì)減小，而且各節(jié)電池容量之間會(huì)出現(xiàn)差異，因此對(duì)系統(tǒng)中的每節(jié)電池都必須加以管理，以保持這些電池處于所限定的SOC范圍之內(nèi)。

　　此外，在車輛或其他大功率應(yīng)用中，高壓電池組面臨著惡劣的運(yùn)行情況，例如運(yùn)行時(shí)電氣噪聲非常大，工作溫度變化范圍很寬等。人們希望電池管理電子系統(tǒng)最大限度擴(kuò)大運(yùn)行范圍、延長(zhǎng)壽命、提高安全性和可靠性，同時(shí)最大限度降低成本、減小尺寸和重量。

　　在2008年，凌力爾特公司推出了首款高性能多節(jié)電池組監(jiān)測(cè)器LTC6802。LTC6802的主要功能包括：以0.25%的最大總體測(cè)量誤差在13ms內(nèi)測(cè)量多達(dá)12節(jié)鋰離子電池;多個(gè)LTC6802 IC可串聯(lián)連接以同時(shí)監(jiān)測(cè)很長(zhǎng)的高壓電池串中的每節(jié)電池。多年來，凌力爾特已經(jīng)對(duì)LTC6802進(jìn)行了多次改進(jìn)。其LTC68XX系列的所有器件都計(jì)劃用于混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(HEV)、電動(dòng)汽車(EV)以及其他高壓、大功率電池組，以進(jìn)行精準(zhǔn)的電池管理。

　　LTC6811是凌力爾特最新的多節(jié)電池組監(jiān)測(cè)器，采用了超穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)、高壓多路轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)16位增量累加ADC。LTC6811能夠以高于0.04%的電壓準(zhǔn)確度測(cè)量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)連接的電池。在最快速ADC模式，所有電池可在290μs時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量。采用8個(gè)可編程3階低通濾波器設(shè)置時(shí)，LTC6811可提供出色的降噪性能。因此，可以得到卓越的電池測(cè)量準(zhǔn)確度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電池管理，以增大電池包容量、提高安全性，并延長(zhǎng)壽命。

　　每個(gè)LTC6811都包括兩個(gè)內(nèi)置的1MHz串行接口、一個(gè)用于連至本地微處理器的SPI接口和專有兩線isoSPI接口。isoSPI接口提供兩種通信選擇：多個(gè)器件能夠以菊鏈方式連至BMS主器件 (主處理器);或者多個(gè)器件能夠以并聯(lián)方式尋址及連至BMS主處理器。

　　模塊化電池組

　　大功率汽車系統(tǒng)需要大量電池，為了適應(yīng)這種情況，電池常常分成幾個(gè)電池組，并分散在車內(nèi)的各處可用空間中。一個(gè)典型的電池模塊中有10到24節(jié)電池，多個(gè)模塊能夠以不同配置方式組裝，以適合多種車輛平臺(tái)。模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了維護(hù)和保修問題，并能夠作為非常大型電池組的基礎(chǔ)。模塊化設(shè)計(jì)允許電池組分散在較大的區(qū)域內(nèi)，以更有效地利用空間。

　　要在EV/HEV的高電磁干擾(EMI)環(huán)境中支持分布式、模塊化拓?fù)?，需要可靠的通信系統(tǒng)。隔離式CAN總線和凌力爾特的isoSPI為在這種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模塊互連提供了經(jīng)過行車驗(yàn)證的解決方案。

　　由于CAN總線已成功導(dǎo)入汽車應(yīng)用中，為電池模塊互連提供了一種非常成熟的網(wǎng)絡(luò)，但是需要一些額外的組件。例如，通過LTC6811的SPI接口部署隔離式CAN總線，需要增加一個(gè)CAN收發(fā)器、一個(gè)微處理器和一個(gè)隔離器。CAN總線的主要缺點(diǎn)是，增加這些組件增加了成本和所需電路板空間。

　　圖1：采用CAN總線的模塊化BMS電子系統(tǒng)。

　　一種能夠代替CAN總線的接口是創(chuàng)新性兩線isoSPI接口。這種isoSPI接口集成到了每一個(gè)LTC6811中，采用簡(jiǎn)單的變壓器和單對(duì)雙絞線，而不是CAN總線所需的4條線。isoSPI接口提供很高的抗RF噪聲性，用這種接口，眾多模塊可通過很長(zhǎng)的電纜以菊鏈方式連接，并以高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。

　　圖2：采用isoSPI接口以菊鏈方式連接的模塊化BMS電子系統(tǒng)。

　　無線BMS

　　在無線BMS中，每個(gè)模塊都是通過無線連接而不是CAN總線電纜或isoSPI雙絞線對(duì)互連的。凌力爾特目前正在展示首款采用無線汽車BMS的概念車——BMW i3，該款概念車采用了LTC6811電池組監(jiān)測(cè)器和凌力爾特的SmartMesh無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，以取代電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。這種全無線BMS車輛的演示代表著一項(xiàng)重大突破，因?yàn)閷?duì)于EV/HEV所采用并由多節(jié)電池組成的大型電池組而言，這提供了改善可靠性、降低成本及布線復(fù)雜性。

　　汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)在于，必須確保駕駛?cè)思劝踩挚煽康伛{駛EV/HEV。包括凌力爾特等業(yè)界供貨商正致力于尋求超越電池監(jiān)測(cè)IC既有的安全性和可靠性，進(jìn)一步在高度振動(dòng)的汽車環(huán)境中，應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生的連接器、電纜和束線布線的機(jī)械故障。迄今為止，人們一直認(rèn)為，車輛中的金屬和高EMI環(huán)境太嚴(yán)苛了，無線系統(tǒng)不可能可靠運(yùn)行。然而，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)可運(yùn)用多樣化的通路和頻率繞過障礙物傳送無線信息，并降低干擾，從而提供了真正冗余的互連系統(tǒng)。

　　SmartMesh 嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，可在惡劣環(huán)境中提供可靠性>99.999%的數(shù)據(jù)傳輸，例如火車車廂監(jiān)測(cè)、采礦、工業(yè)處理廠等環(huán)境。無線 BMS 概念車提供導(dǎo)線連接般的可靠性，消除了機(jī)械連接器故障問題，這表明無線技術(shù)有望顯著提高總體系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　圖3：采用SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的模塊化BMS電子系統(tǒng)。

　　采用SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的BMS有潛力提供目前有線系統(tǒng)無法提供的新功能。無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)允許靈活地放置電池模塊，以及在以前不適合束線布線的地方安裝傳感器。通過簡(jiǎn)單地增加支持SmartMesh的傳感器，BMS主器件也可以收集與電池充電狀態(tài)(SOC)計(jì)算準(zhǔn)確度有密切關(guān)系的其他數(shù)據(jù)，例如電流和溫度。SmartMesh用幾微秒時(shí)間就能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，并準(zhǔn)確地給每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值加蓋時(shí)間戳。能夠讓車輛中不同地方的測(cè)量值與時(shí)間相關(guān)，對(duì)于更準(zhǔn)確地計(jì)算電池充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)而言，這是一種強(qiáng)大的功能。在每個(gè)模塊處具本地處理能力的SmartMesh節(jié)點(diǎn)改善了BMS的運(yùn)行，還有可能實(shí)現(xiàn)智能電池模塊，這類模塊可以提供模塊診斷和通信，以提升組裝和服務(wù)水平。

　　SmartMesh網(wǎng)絡(luò)

　　SmartMesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品包括芯片、預(yù)先認(rèn)證的PCB模塊和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)軟件，能夠讓傳感器在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境中通信。

　　SmartMesh產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，有超過5萬個(gè)客戶網(wǎng)絡(luò)部署在120個(gè)國(guó)家。通過在惡劣的RF環(huán)境中提供>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性，SmartMesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了工業(yè)IoT提供商的信任，可在無需干預(yù)的情況下連續(xù)多年可靠地提供關(guān)鍵的傳感器和控制數(shù)據(jù)。

　　圖4：SmartMesh IP無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　SmartMesh 特點(diǎn)包括：

　　• 經(jīng)過驗(yàn)證：經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，在工業(yè)4.0應(yīng)用中提供>99.999%的可靠性

　　• 可靠：時(shí)間同步、通道跳頻網(wǎng)格技術(shù)能基于自我診斷自動(dòng)地減少故障

　　• 安全：可靠的安全措施包括NIST認(rèn)證的AES128加密

　　互連方式比較

　　以下方框圖突出顯示了CAN 總線、isoSPI和SmartMesh網(wǎng)絡(luò)之間不同的電氣連接方式：

　　圖5：采用CAN總線的電池監(jiān)視互連方式。

　　圖6：采用isoSPI的電池監(jiān)視互連方式。

　　圖7：采用SmartMesh WSN的電池監(jiān)視互連方式。

　　圖8：采用 SmartMesh WSN的電池監(jiān)視和附加傳感器的互連方式。

　　總結(jié)

　　有了SmartMesh無線BMS，就有望棄用需要維護(hù)的連接器、電纜和線束。無線 BMS 可通過 SmartMesh 的可擴(kuò)展性和時(shí)間戳數(shù)據(jù)采集能力擴(kuò)展 BMS 功能。此外它還允許增加新的傳感器，以進(jìn)一步提高可靠性。