2022-05-23
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作者 Ai Wei
文章来源 Cytech Engineer

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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