Greg Zimmer

凌力尔特公司  高级产品市场工程师  信号调理产品部

概述

如果希望锂离子电池长时间可靠运行，就需要相当小心。这类电池不能在其充电状态 (SOC) 范围的极端点上运行。随着时间推移和使用量增加，锂离子电池的容量会减小，而且各节电池容量之间会出现差异，因此对系统中的每节电池都必须加以管理，以保持这些电池处于所限定的 SOC 范围之内。

为了给车辆提供充足的电力，需要数十或数百节电池配置成一长串，以产生高达 1000V 或更高的电压。电池电子系统必须以这种高电压运行，并抑制共模电压效应，同时对电池串中的每节电池分别地加以测量和控制。这些电子系统必须能够从电池组中的每节电池向中央处理点发送信息。

此外，在车辆或其他大功率应用中，高压电池组面临着恶劣的运行情况，例如运行时电气噪声非常大，工作温度变化范围很宽等。人们希望电池管理电子系统最大限度扩大运行范围、延长寿命、提高安全性和可靠性，同时最大限度降低成本、减小尺寸和重量。

凌力尔特公司电池监视 IC 的不断进步使如今的汽车电池组实现了高性能、长寿命和高可靠性。无线电池管理系统 (BMS) 有望进一步提高整个电池系统的安全性和可靠性。

电池监视

在 2008 年，凌力尔特公司宣布推出首款高性能多节电池组监视器 LTC6802。LTC6802 的主要功能包括：以 0.25% 的最大总体测量误差在 13ms 内测量多达 12 节锂离子电池；多个 LTC6802 IC 可串联连接以同时监视很长的高压电池串中的每节电池。多年来，凌力尔特已经对 LTC6802 进行了多次改进。凌力尔特 LTC68XX 系列的所有器件都计划用于混合动力/电动型汽车 (HEV)、电动型汽车 (EV) 以及其他高压、大功率电池组，以进行精准的电池管理。

LTC6811 是凌力尔特最新的多节电池组监视器，采用了超稳定电压基准、高压多路转换器和两个 16 位增量累加 ADC。LTC6811 能够以高于 0.04% 的电压准确度测量多达 12 节串联连接的电池。在最快速 ADC 模式，所有电池可在 290μs 时间内完成测量。采用 8 个可编程 3 阶低通滤波器设置时，LTC6811 可提供出色的降噪性能。因此可以得到卓越的电池测量准确度，进而实现精准的电池管理，以增大电池包容量、提高安全性并延长寿命。

每个 LTC6811 都包括两个内置的 1MHz 串行接口、一个用于连至本地微处理器的 SPI 接口和专有两线 isoSPI 接口。isoSPI 接口提供两种通信选择：多个器件能够以菊链方式连至 BMS 主器件 (主处理器)；或者多个器件能够以并联方式寻址及连至 BMS 主处理器。

模块化电池包

大功率汽车系统需要大量电池，为了适应这种情况，电池常常分成电池包，并分散在车辆内各种可用空间中。在一个典型的电池模块中有 10 到 24 节电池，多个模块能够以不同配置方式组装，以适合多种车辆平台。模块化设计简化了维护和保修问题，并能够作为非常大型电池组的基础。模块化设计允许电池包分散在较大的区域内，以更有效地利用空间。

要在 EV/HEV 的高电磁干扰 (EMI) 环境中支持分布式、模块化拓扑，需要可靠的通信系统。隔离式 CAN 总线和凌力尔特的 isoSPI 为在这种环境中实现模块互连提供了经过行车验证的解决方案。

CAN 总线在汽车应用中很成功，它为电池模块互连提供了一种非常成熟的网络，但是需要一些额外的组件。例如，通过 LTC6811 的 SPI 接口部署隔离式 CAN 总线，需要增加一个 CAN 收发器、一个微处理器和一个隔离器。CAN 总线的主要缺点是，增加这些组件增大了成本和所需电路板空间。

图 1：采用 CAN 总线的模块化 BMS 电子系统

一种能够代替 CAN 总线的接口是凌力尔特的创新性两线 isoSPI 接口。这种 isoSPI 接口集成到了每一个 LTC6811 中，采用简单的变压器和单对双绞线，而不是 CAN 总线所需的 4 条线。isoSPI 接口提供很高的抗 RF 噪声性，用这种接口，众多模块可通过很长的电缆以菊链方式连接，并以高达 1Mbps 的数据速率运行。

图 2：采用 isoSPI 接口以菊链方式连接的模块化 BMS 电子系统

无线 BMS

在无线 BMS 中，每个模块都是通过无线连接而不是 CAN 总线电缆或 isoSPI 双绞线对互连的。凌力尔特目前正在展示业界首款采用无线汽车电池管理系统 (BMS) 的概念车。这款采用无线 BMS 的概念车属于 BMW i3 型号，采用了 LTC6811 电池组监视器和凌力尔特的 SmartMesh^® 无线网格网络产品，取代了电池包和电池管理系统之间的传统有线连接。这种全无线 BMS 车辆的演示代表着一项重大突破，因为对于电动型和混合动力 / 电动型车辆所采用并由多节电池组成的大型电池组而言，这提供了改善可靠性、降低成本及布线复杂性的潜力。

人们要求汽车制造商确保驾车一族在驾驶电动型和混合动力 / 电动型汽车时既安全又可靠。凌力尔特现在寻求超越电池监视 IC 既有的安全性和可靠性，进一步在高度振动的汽车环境中应对可能产生的连接器、电缆和束线布线的机械故障。迄今为止，人们一直认为，车辆中的金属和高 EMI 环境太严酷了，无线系统不可能可靠运行。然而，SmartMesh 网络可运用多样化的通路和频率绕过障碍物传送无线信息，并降低干扰，从而提供了真正冗余的互连系统。SmartMesh 嵌入式无线网络在工业物联网应用中经过现场验证，可在严酷环境中提供可靠性 >99.999% 的数据传输，例如火车车厢监视、采矿、工业处理厂等环境。无线 BMS 概念车提供导线连接般的可靠性，消除了机械连接器故障问题，这表明无线技术有望显著提高总体系统可靠性，简化汽车电池管理系统的设计。

图 3：采用 SmartMesh 网络的模块化 BMS 电子系统

其他好处

采用 SmartMesh 网络的 BMS 有潜力提供目前有线系统无法提供的新功能。无线网格网络允许灵活地放置电池模块，以及在以前不适合束线布线的地方安装传感器。通过简单地增加支持 SmartMesh 的传感器，BMS 主器件也可以收集与电池充电状态 (SOC) 计算准确度有密切关系的其他数据，例如电流和温度。SmartMesh 用几微秒时间就能够自动实现每个节点的时间同步，并准确地给每个节点的测量值加盖时间戳。能够让车辆中不同地方的测量值与时间相关，对于更准确地计算电池充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH) 而言，这是一种强大的功能。在每个模块处具本地处理能力的 SmartMesh 节点改善了 BMS 的运行，还有可能实现智能电池模块，这类模块可以提供模块诊断和通信，以提升组装和服务水平。

关于 SmartMesh 网络

SmartMesh 无线传感器网络产品包括芯片和预先认证的 PCB 模块，还有网格网络软件，能够让传感器在严酷的工业物联网 (IoT) 环境中通信。

SmartMesh 产品经过现场验证，有超过 5 万个客户网络部署在 120 个国家。通过在严酷的 RF环境中提供 > 99.999% 的数据可靠性，SmartMesh 无线传感器网络得到了工业 IoT 提供商的信任，可在无需干预的情况下连续多年可靠地提供关键的传感器和控制数据。

图 4：SmartMesh IP 无线传感器网络

SmartMesh 特点

• 经过验证：经过现场验证，在工业 4.0 应用中提供 >99.999% 的可靠性
• 可靠：时间同步、通道跳频网格技术能基于自我诊断自动地减少故障
• 安全：可靠的安全措施包括 NIST 认证的 AES128 加密

互连方式比较

以下方框图突出显示了 CAN 总线、isoSPI 和 SmartMesh 网络之间不同的电气连接方式：

图 5：采用 CAN 总线的电池监视互连方式

图 6：采用 isoSPI 的电池监视互连方式

图 7：采用 SmartMesh WSN 的电池监视互连方式

图 8：采用 SmartMesh WSN 的电池监视和附加传感器的互连方式

总结

凭借领先的电池监视器和可靠的无线网络技术，凌力尔特公司已经做好充分准备，能够评估可以怎样、何时以及在哪里部署无线 BMS。有了 SmartMesh 无线 BMS，就有望弃用易于需要维护的连接器、电缆和线束。无线 BMS 可通过 SmartMesh 的可扩展性和时间戳数据采集能力扩展 BMS 功能。凌力尔特不断与客户合作，以提供高性能模拟及电源解决方案。

无线 BMS 的好处

• 无需易于需要维护的连接器、电缆和线束
• 允许增加新的传感器以进一步提高可靠性
• 简化了自动组装和电池维护，为设计师提供了额外的机械设计灵活性
• 允许精准地收集时间戳数据，这也可以进一步改进 SOC / SOH 计算