無線電池管理系統(tǒng)滿足業(yè)界對更高可靠性的需求

概述

如果希望鋰離子電池長時間可靠運行，就需要相當小心。這類電池不能在其充電狀態(tài) (SOC) 范圍的極端點上運行。隨著時間推移和使用量增加，鋰離子電池的容量會減小，而且各節(jié)電池容量之間會出現(xiàn)差異，因此對系統(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)。

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

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

凌力爾特公司電池監(jiān)視 IC 的不斷進步使如今的汽車電池組實現(xiàn)了高性能、長壽命和高可靠性。無線電池管理系統(tǒng) (BMS) 有望進一步提高整個電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電池監(jiān)視

在 2008 年，凌力爾特公司宣布推出首款高性能多節(jié)電池組監(jiān)視器 LTC6802。LTC6802 的主要功能包括：以 0.25% 的最大總體測量誤差在 13ms 內(nèi)測量多達 12 節(jié)鋰離子電池;多個 LTC6802 IC 可串聯(lián)連接以同時監(jiān)視很長的高壓電池串中的每節(jié)電池。多年來，凌力爾特已經(jīng)對 LTC6802 進行了多次改進。凌力爾特 LTC68XX 系列的所有器件都計劃用于混合動力/電動型汽車 (HEV)、電動型汽車 (EV) 以及其他高壓、大功率電池組，以進行精準的電池管理。

LTC6811 是凌力爾特最新的多節(jié)電池組監(jiān)視器，采用了超穩(wěn)定電壓基準、高壓多路轉(zhuǎn)換器和兩個 16 位增量累加 ADC。LTC6811 能夠以高于 0.04% 的電壓準確度測量多達 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 時間內(nèi)完成測量。采用 8 個可編程 3 階低通濾波器設置時，LTC6811 可提供出色的降噪性能。因此可以得到卓越的電池測量準確度，進而實現(xiàn)精準的電池管理，以增大電池包容量、提高安全性并延長壽命。

每個 LTC6811 都包括兩個內(nèi)置的 1MHz 串行接口、一個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：多個器件能夠以菊鏈方式連至 BMS 主器件 (主處理器);或者多個器件能夠以并聯(lián)方式尋址及連至 BMS 主處理器。

模塊化電池包

大功率汽車系統(tǒng)需要大量電池，為了適應這種情況，電池常常分成電池包，并分散在車輛內(nèi)各種可用空間中。在一個典型的電池模塊中有 10 到 24 節(jié)電池，多個模塊能夠以不同配置方式組裝，以適合多種車輛平臺。模塊化設計簡化了維護和保修問題，并能夠作為非常大型電池組的基礎。模塊化設計允許電池包分散在較大的區(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、模塊化拓撲，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)境中實現(xiàn)模塊互連提供了經(jīng)過行車驗證的解決方案。

CAN 總線在汽車應用中很成功，它為電池模塊互連提供了一種非常成熟的網(wǎng)絡，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 CAN 收發(fā)器、一個微處理器和一個隔離器。CAN 總線的主要缺點是，增加這些組件增大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 總線的接口是凌力爾特的創(chuàng)新性兩線 isoSPI 接口。這種 isoSPI 接口集成到了每一個 LTC6811 中，采用簡單的變壓器和單對雙絞線，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的電纜以菊鏈方式連接，并以高達 1Mbps 的數(shù)據(jù)速率運行。

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，每個模塊都是通過無線連接而不是 CAN 總線電纜或 isoSPI 雙絞線對互連的。凌力爾特目前正在展示業(yè)界首款采用無線汽車電池管理系統(tǒng) (BMS) 的概念車。這款采用無線 BMS 的概念車屬于 BMW i3 型號，采用了 LTC6811 電池組監(jiān)視器和凌力爾特的 SmartMesh^® 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡產(chǎn)品，取代了電池包和電池管理系統(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重大突破，因為對于電動型和混合動力 / 電動型車輛所采用并由多節(jié)電池組成的大型電池組而言，這提供了改善可靠性、降低成本及布線復雜性的潛力。

人們要求汽車制造商確保駕車一族在駕駛電動型和混合動力 / 電動型汽車時既安全又可靠。凌力爾特現(xiàn)在尋求超越電池監(jiān)視 IC 既有的安全性和可靠性，進一步在高度振動的汽車環(huán)境中應對可能產(chǎn)生的連接器、電纜和束線布線的機械故障。迄今為止，人們一直認為，車輛中的金屬和高 EMI 環(huán)境太嚴酷了，無線系統(tǒng)不可能可靠運行。然而，SmartMesh 網(wǎng)絡可運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)絡在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中經(jīng)過現(xiàn)場驗證，可在嚴酷環(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)視、采礦、工業(yè)處理廠等環(huán)境。無線 BMS 概念車提供導線連接般的可靠性，消除了機械連接器故障問題，這表明無線技術有望顯著提高總體系統(tǒng)可靠性，簡化汽車電池管理系統(tǒng)的設計。

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

其他好處

采用 SmartMesh 網(wǎng)絡的 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) 計算準確度有密切關系的其他數(shù)據(jù)，例如電流和溫度。SmartMesh 用幾微秒時間就能夠自動實現(xiàn)每個節(jié)點的時間同步，并準確地給每個節(jié)點的測量值加蓋時間戳。能夠讓車輛中不同地方的測量值與時間相關，對于更準確地計算電池充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 而言，這是一種強大的功能。在每個模塊處具本地處理能力的 SmartMesh 節(jié)點改善了 BMS 的運行，還有可能實現(xiàn)智能電池模塊，這類模塊可以提供模塊診斷和通信，以提升組裝和服務水平。

關于 SmartMesh 網(wǎng)絡

SmartMesh 無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品包括芯片和預先認證的 PCB 模塊，還有網(wǎng)格網(wǎng)絡軟件，能夠讓傳感器在嚴酷的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境中通信。

SmartMesh 產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場驗證，有超過 5 萬個客戶網(wǎng)絡部署在 120 個國家。通過在嚴酷的 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)絡得到了工業(yè) IoT 提供商的信任，可在無需干預的情況下連續(xù)多年可靠地提供關鍵的傳感器和控制數(shù)據(jù)。

圖 4：SmartMesh IP 無線傳感器網(wǎng)絡

SmartMesh 特點

· 經(jīng)過驗證：經(jīng)過現(xiàn)場驗證，在工業(yè) 4.0 應用中提供 >99.999% 的可靠性

· 可靠：時間同步、通道跳頻網(wǎng)格技術能基于自我診斷自動地減少故障

· 安全：可靠的安全措施包括 NIST 認證的 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)

憑借領先的電池監(jiān)視器和可靠的無線網(wǎng)絡技術，凌力爾特公司已經(jīng)做好充分準備，能夠評估可以怎樣、何時以及在哪里部署無線 BMS。有了 SmartMesh 無線 BMS，就有望棄用易于需要維護的連接器、電纜和線束。無線 BMS 可通過 SmartMesh 的可擴展性和時間戳數(shù)據(jù)采集能力擴展 BMS 功能。凌力爾特不斷與客戶合作，以提供高性能模擬及電源解決方案。

無線 BMS 的好處

· 無需易于需要維護的連接器、電纜和線束

· 允許增加新的傳感器以進一步提高可靠性

· 簡化了自動組裝和電池維護，為設計師提供了額外的機械設計靈活性

· 允許精準地收集時間戳數(shù)據(jù)，這也可以進一步改進 SOC / SOH 計算