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电池管理系统模拟前端芯片 — ADI LTC6813介绍

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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。

BMS 及 BMS AFE 简介

BMS 全称是 Battery Management System,电池管理系统。电池管理系统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,电池管理系统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(电池管理系统模拟前端芯片),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。模拟前端芯片一般包括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 ADI LTC6813 高精度锂电池电芯采样芯片。

    ADI LTC6813 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 LTC6813 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:

     

    figure-1adi-sampling-chip-ltc6813-basic-architecture
    图1 ADI 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:

     

    figure-2-ltc6813-internal-balance-structure
    图2 ADI 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: 

    Figure 3 LTC6813 external MOS equalization structure
    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:

      图4 ADI LTC6813 采样芯片不同工作模式的切换
      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: 

      Figure 5 LTC6813 wake-up timing and idle timer structure 1
      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:

      MODE-3dB FILTER BW-40dB FILTER BWTME SPEC AT 3.3V, -25°CTME SPEC AT 3.3V, -40°C,125°C
      27kHz (Fast Mode)27kHz84kHz±6mV±6mV
      14kHz13.5kHz42kHz±6mV±6mV
      7kHz (Normal Mode)6.8kHz21kHz±2.2mV±3.3mV
      3kHz3.4kHz10.5kHz
      ±2.2mV±3.3mV
      2kHz1.7kHz5.3kHz2.2mV±3.3mV
      1kHz845Hz2.6kHz2.2mV±3.3mV
      422Hz422Hz1.3kHz2.2mV±3.3mV
      26Hz (Filtered Mode) 

      26Hz82Hz2.2mV±3.3mV

      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
      Figure 6 Voltage data read by the official ADI Linduino software host
      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:

      Figure 7 ADI LTC6813 sampling chip part of the sampling input circuit schematic
      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:

      Figure 9 LTC6813 with LTC6820 daisy chain structure connection 1
      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:

      Figure 10 LTC6813 isoSPI daisy chain communication test module composition
      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: 

      figure11.jpg
      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,您可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

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