直線竄升的能源價格以及對二氧化碳排放問題的日益擔憂導致人們對電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)給予了高度的關注。為了造就高效型EV和HEV，新型鋰電池設計將是關鍵性的技術。
為了從鋰電池獲取盡可能多的能量和盡可能長的使用壽命，需要采用一些精細復雜的電子元器件。例如：測量由100個串接電池組成的電池組中每個3.7V電池兩端電壓的能力便是要求之一。如何應付370V的共模電壓并抑制100V的共模開關瞬態電壓?面向電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和不間斷電源(UPS)應用的電池管理系統設計必需解決許多此類問題。
電池是如何使汽車成為“綠色產品”的?而對于鋰電池為什么存在如此大的異議?首先，根據CaliforniaCarsInitiative(www.calcars.org)提供的數據，汽車的電力運行成本相當于支付每加侖汽油75美分的油價。因此，純電動汽車具有很低的日常運作成本。其次，如果駕駛里程超過100英里，那么仍然需要采用一部汽油發動機，而電池則可使汽油所行駛的里程得以延長。請考慮一下，汽車的能量貯存能力是其行駛距離的限制因素。當采用一個大型鋰電池組時，您可以在一個8小時的充電周期之后行駛100英里。每公斤汽油的貯能是鋰離子電池的80倍，而且只需幾分鐘時間便可將一輛汽車的油箱加滿。然后，帶上足夠的咖啡，您就能夠一直開下去。然而，內燃機的峰值效率僅為30%，而且在每分鐘高轉速條件下的平均效率約為12%。采用電池來提供轉矩(在加速期間)并恢復能量(在剎車過程中)意味著燃氣發動機的運行頻度較低，而且效率較高，從而實際上使每加侖汽油所行駛的里程實現翻番。
給汽車添加電池的第三個原因是為了減少尾氣排放。耗用一加侖汽油將產生9kg的二氧化碳。清潔能源(比如：風能)可轉換為電能，且不會產生二氧化碳排放物。因此，電池對于改善里程成本和減低每英里二氧化碳排放量起著舉足輕重的作用。電池的能量存儲密度越高，則其效能就越高。當今的2009年度車型采用的是鎳氫電池。換成鋰離子電池將使能量存儲密度提高150%。而到2012年，屆時大多數混合動力轎車和貨車都將采用鋰電池技術。
汽車如何采用鋰電池
當考慮在汽車中使用鋰電池時，應該研究分析串聯式混合動力汽車、并聯式混合動力汽車、純電動汽車和其他汽車類型的功率鏈路方框圖。幸運的是，鋰電池組對于所有的汽車而言大致相同。構件是一個由100至200個2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接電池構成的電池組。這種直流電源可驅動一部30kW~70kW電動機。電池組的總電壓很高，所以對于一個給定的功率級，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應提供200A電流，并可迅速地完成再充電。換句話說，電池必需具備優良的功率密度和上佳的能量密度。大型系統(例如：公共汽車和牽引拖車)采用多達4個640V并聯電池組。
鋰電池組的設計問題是平衡性能、經濟性和安全性。兩個關鍵的變量是電池組電池設計和電池管理電子線路。比如：您希望制作一部每充電一次便可行駛100英里的EV，而采用的是一個使用壽命達10年的電池組(在此期間無須購買或租用新的電池組)。為了滿足10年(3650次充電)的電池壽命目標，只能使用電池容量的一部分(比如：40%)。為了最大限度地降低汽車成本，您希望采用最輕的電池，而電池是電池組中最昂貴的部件。為了實現性能的最大化，電池必須處理200A的峰值充電和放電電流。最重要的是，發生快速氧化事件(即：著火)的幾率必須低于汽油動力車。
傳統的鋰鈷電池(比如筆記本電腦中所采用的那些電池)雖然具有很高的能量密度，但當隔離材料失效時往往容易發生熱失控現象。制造商們將新型鋰電池基于磷酸鐵鋰電池、鋰錳電池和鈦酸鋰電池，即使在其封裝被刺穿的情況下它們也能保持穩定的熱性能。它們的棱柱形狀結構具有低ESR(等效串聯電阻)以支持高電流。它們的儲能比筆記本電腦的鋰鈷電池少，但仍然優于鎳氫電池，而且，如果能夠仔細地監視其充電和放電水平，則其使用壽命可達10~15年。
電池的“電荷狀態”(StateofCharge)
如今，電池監視系統開始發揮作用了，原因是它們能夠監視電池的電荷狀態，而這反過來又決定了電池的成本和性能。如果您了解了電池的電荷狀態，就能夠從每個電池獲得更多的可用容量、使用較少的電池、并最大限度地延長這些電池的使用壽命。在筆記本電腦中，可通過監視電池電壓并計算流入和流出電池組(含有4至8個電池)的電荷量來完成此項任務。電壓、電流、電荷、溫度和某些數學算式能夠很好地指示電池的電荷狀態。不幸的是，由于電池驅動的是一部電動機，而不是一塊母板，所以無法在汽車中計算電荷量。電流尖峰為200A，而在這些尖峰之后是低電平空轉。
您還擁有96~200個串接電池，分成10或12個組。這些電池的老化速度不一，來自多個批次，而且溫度不同。這些因素意味著它們具有不同的容量，而電荷量相同的電池有可能具有不同的電荷水平。為此，汽車內的電池監視系統重點關注電池電壓。必須準確地測量每節電池的電壓，然后采用電流和溫度測量來調整讀數(針對ESR和容量變化)。保存每個電池電荷水平的運行估計值。如果某些電池過充電，而其他的電池欠充電，則必須通過放電(即被動地平衡電荷)來調節每個電池中的電荷水平；另一種方法則是重新分配電荷(即主動地平衡電荷)。當電池達到最低電荷狀態時，您就會發覺沒電了。
您必需弄清楚如何準確地測量電壓。以在-20ºC至+85ºC的溫度范圍內實現優于1%的電荷狀態測量準確度作為起始目標。圖1示出了普通鋰離子電池的典型電荷與電壓特性的關系曲線。不過，需要牢記的是：這些數據會因電池制造商和化學組成的不同而存在相當大的差異。在30%~70%的電荷狀態范圍內，電池電壓的變化幅度約為200mV(即：每個百分點變化5mV)。0V至5V的測量范圍要求0.1%的總測量準確度。將該數字變換為數據采集規格需要一個具1LSB(最低有效位)或0.02%INL(積分非線性)的12位ADC和一個具0.05%初始準確度和5ppm/ºC漂移(即：對于40ºC的溫度變化為0.02%)的電壓基準。
圖1：典型5A-hr鋰離子電池在不同放電速率條件下電荷與電壓特性的關系曲線(a)。同一個電池在不同溫度條件下(在5A放電期間)的電荷與電壓特性的關系曲線(b)。
數據采集系統還必須抑制開關噪聲和高共模電壓。圖2示出了電池組輸出的仿真結果(當存在來自一個為電動機供電的10kHz負輸出轉換器的尖峰時)。把瞬變均等地散布于100個電池之上意味著頂端的電池具有一個370V的共模電壓、100V的共模瞬態電壓、1V的差分瞬態電壓和一個3.7VDC值。必需以5mV的準確度來測量該3.7VDC值。
圖2：該仿真結果示出了當存在來自一個為電動機供電的10kHz負輸出轉換器的尖峰時的電池組輸出。
大多數電池監視系統均采用模組化構造的市售部件的組合。圖3示出了監視一個內含36個電池(分為3組，每組12個電池)的電池組之方法。含有12個電池的模組負責提供至模擬電子線路的一個局部電源和地。通過把電池組分成幾個小組，模擬電路將“承受”一個較小的共模電壓。圖4示出了分立型模擬電子線路實例。LT1991差分放大器可抑制共模電壓，并對每個電池兩端的差分電壓進行緩沖。差分放大器的輸出是參考于LT1461的電池電壓。這12個信號被連接至一個16通道、24位ΔΣADCLTC2449的輸入多工器。LT1461-2.5負責提供2.5V電壓基準。MOSFET開關用于防止在ADC處于睡眠模式時從電池吸收電流。差分放大器的75dBCMRR(共模抑制比)、0.04%的差分放大器增益誤差和0.04%的基準電壓誤差組合起來，產生了一個0.3%的最壞情況誤差。ADC誤差可忽略不計。在室溫條件下進行系統校準可消除約90%的誤差。
圖3：您能夠監視一個內含36個電池的典型電池組(分3組，各含12個電池)。含有12個電池的模組負責提供至模擬電子線路的一個局部電源和地。通過把電池組分成幾個小組，模擬電路將承受小得多的共模電壓。
圖4：在用于分立模擬電子元件的簡化電壓測量電路中，電池電壓信號被連接至一個16通道、24位ΔΣADCLTC2449的輸入多工器。ADC誤差可忽略不計，而且，在室溫條件下進行系統校準可消除約90%的誤差。
圖4示出的只是一個簡化的電壓測量電路。完整的電池監視系統還需要電池平衡、數據通信和自測試功能，這將使原理圖大為復雜。高元件數目使采用市售元件的做法既昂貴又不可靠。圖5示出了一款相似的模組化電池測量設計方案，它利用一個IC實現了大多數功能的集成。輸入多工器能夠承受60V的共模電壓。采用開關電容器采樣方法可消除大多數分立型設計所面對的CMRR限制。ΔΣADC從本質上說是理想的，誤差預算中的唯一事項就是基準電壓。在未進行校準的情況下，LTC6802實現了0.12%(在室溫條件下)和0.22%(在-40ºC至+85ºC的溫度范圍內)的準確度。室溫誤差的最初出廠校準可將總誤差減小至0.1%(在整個溫度范圍內)。如欲獲得更高的準確度，可以增添一個低漂移外部基準(圖6)。定期測量LT1461的輸出并使用該信息來調節電池測量，再加上初始校準，能夠將誤差減小至0.03%，這是ADC在-20ºC至70ºC范圍內的噪聲層。
圖5：在一種簡化的電池測量設計方案中，由一個IC集成了大部分功能
圖6：如欲獲得更高的準確度，可以增添一個低漂移外部基準。定期測量LT1461的輸出并使用該信息來調節電池測量，再加上初始校準，能夠將誤差減小至0.03%，這是ADC在-20ºC至70ºC范圍內的噪聲層。
在迄今為止介紹的方法中，由ΔΣADC來執行測量。SAR(逐次逼近寄存器)型轉換器在12位系統中提供了一個較快的采樣速率，而在一個具100個通道的數據采集系統中，這似乎是必不可少的。然而，汽車內嚴酷的噪聲環境要求進行大量的濾波處理。因此，濾波處理決定了有效吞吐量，而不是采樣速率。對于一個給定的10kHz抑制量，一個1kspsΔΣADC等效于一個1MspsSARADC(圖7)。LTC6802多工器和1kspsADC在10ms的時間里完成10個輸入通道的排序。該ADC的內置線性相位數字濾波器對10kHz開關噪聲提供了36dB的抑制。具一個單極點輸入濾波器的1MspsSAR轉換器需要一個160Hz的RC轉折頻率，旨在獲取相同的10kHz噪聲抑制。RC濾波器的12位穩定時間為8.4ms。SAR能夠在10μs的時間里完成10個通道的排序，但是，由于濾波器響應的原因，每8.4ms進行一次以上的掃描是徒勞無益的。
圖7：對于一個給定的10kHz抑制量，一個1kspsΔΣADC(a)等效于一個1MspsSARADC(b)。濾波處理決定了ADC的有效吞吐量，而不是采樣速率(c)。
ΔΣADC和SARADC測量吞吐量是相等的，但存在著某些差異。ΔΣADC具有較大的噪聲抑制量和出眾的準確度。而且，雖然兩種系統擁有相同的10kHz抑制量，但這種濾波器對較高次諧波的抑制量明顯大于簡單的RC濾波器。基于ΔΣADC的系統具有較高的準確度，這是因為輸入多工器的工作速度比SAR低1000倍，從而消除了串擾、共模抑制和穩定時間誤差。SAR僅有的優勢是10個測量幾乎是同時進行的，而ΔΣ測量則是順序進行的，因而在軟件中產生了少量的額外開銷(用于計算電池阻抗)。
為了完成電池電荷狀態的計算，需要測量溫度和電流。溫度相對容易測量，因為它的變化速度慢，不會受到電動機噪聲的干擾，而且與高電壓進行了電氣性能的隔離。唯一的問題是采用多少個溫度探頭。由于在圓柱形電池之間存在未知的熱梯度，因此有些鋰離子電池組每個電池采用了一個溫度傳感器。其他的電池組設計采用由12個棱柱形電池構成的電池組(使用鋁制外殼)。電池之間的低熱阻意味著每組電池配置一個或兩個溫度探頭就足夠了。最經濟的測量方案采取的是電池電壓ADC重用的方法(圖5)。熱敏電阻被布設在電池之間。熱敏電阻與100kΩ電阻器之間的電壓多路傳輸至ADC之中。誤差預算包括基準電壓的1%絕對值、電阻器和熱敏電阻的1%至5%容差、熱敏電阻B常數的1%至3%可變性(單位：Ω/ºC)以及探頭和電池內部之間的溫差。未校準的準確度約為5%。在室溫條件下對初始容差進行校準將只剩下B常數偏差。從圖1可知，溫度讀數中的每個4%誤差將轉化為一個1%的電池電荷狀態估計誤差。
最后測量的物理量是電流，它很重要，原因有二。首先，放電速率會影響電池容量(圖1)。其次，使電流中的變化與電池電壓中的變化相互關聯將提供一個用于測量電池內部電阻的量度。您可以運用自己掌握的電阻知識來改進電池電荷狀態的計算。電阻也是反映電池平均壽命的主要指標。由于每個電池都是串接的，因此電流是電池組中的一種單點測量。測量應該是雙向的，并具有一個寬動態范圍。圖8示出了一種常用的方法。
圖8：由于每個電池都是串接的，因此電流是電池組中的一種單點測量。測量應該是雙向的，并具有一個寬動態范圍。在這種常用方法中，LEMDHAB14s84包含兩個霍爾效應傳感器和一個ASIC，用于對與5V電源成比例的輸出進行線性化處理。
LEMDHAB14s84包含兩個霍爾效應傳感器和一個ASIC，用于對輸出進行線性化處理。輸出與5V電源成比例。一個通道具有±30A的范圍，而另一個通道則具有-150A至+350A的范圍。這兩個通道均具有約10位的分辨率。將兩個通道組合起來，可提供一個30mA至350A的總動態范圍。應當對電流傳感器輸出的濾波處理進行修整，以實現電池電壓濾波的匹配以及電流和電壓測量的同步。
電池平衡
當任何一個電池達到其最大或最小容許電荷狀態時，100個串接電池的充電/放電操作必須停止。于是，一個電池組的效能實際上僅與其最弱的一節電池相當。如果一節“弱”電池在充電和放電期間接收了與一節“強”電池相同的電荷量，則它將使用其更多的可用容量，這反過來使它變得更弱。隨著時間的推移，在所有的電池中保持相同的容量水平有助于老化程度的一致性。如果僅是由于某個電池過早地無法繼續充電而導致不得不更換整個電池組(內含100個電池)，那將是很令人遺憾的。如果電池監視系統能夠調整每個電池中的電荷水平，則可從電池組獲得更多的能量和更長的使用壽命。在EV和HEV中，電池平衡是一項至關重要的功能。
小容量電池組往往采用一種簡單的被動平衡方法，旨在最大限度地降低成本。當某個電池的電荷狀態超過其鄰近的電池時，這種方法將在其兩端布設一個放電電阻器。被動平衡并不增加一次充電之后的行駛距離，原因是這種方法消耗功率，而不是重新分配功率。不過，被動平衡延長了電池組的壽命，而且是客用HEV中的標準電池平衡方法。放電電流的變化范圍為10mA至1A，最常見的是100mA至200mA。
EV采用較大容量的電池組，在這里使用被動平衡會產生相當多的熱量。而且，EV制造商還很關心每次充電之后的行駛距離。商用HEV(例如：公共汽車和貨車)則采用多個大型電池組。考慮到汽車的費用(一輛公共汽車的造價約為48萬美元，而一輛Prius混合動力車的價格則在兩萬三美元左右)，對于電子部件的成本壓力較小。在這些場合中，采用更加精巧完善的主動平衡法是有意義的。
主動平衡意味著電荷在電池之間往返運動，且最終不會作為熱量而被浪費掉。這種方法需要一個用于電荷轉移的存儲元件。目前，工程師們正在發布和取得有關此類采用電容器、電感器或變壓器的方案的專利(參考文獻1和圖9)。電容器在兩個相鄰的電池之間連續切換。電流將流動，以使這兩個電池的電壓(因而包括其電荷狀態)相等。通過采用一組開關和電容器，往往能夠使所有電池的電壓相等。這種方法的缺點是需要采用大量的低電阻開關，并產生用于控制開關的信號。而一個優點則是無需使用軟件。只要開關時鐘處于運行狀態，電路就將在后臺連續地對電池進行平衡。一種基于變壓器的方案可在單個電池和一組電池之間轉移電荷(參考文獻2和圖10)。該方案需要電池電荷狀態信息，以從6個電池的電池組選擇需要充電和放電的電池。
圖9：這種基于電容器的方案采用了一個在兩個相鄰電池之間連續切換的電容器。電流將流動，以使兩個電池的電壓(因而包括其電荷狀態)相等。主動平衡使電荷在電池之間往返運動，而且不會變成熱量而被浪費掉。它需要一個用于電荷轉移的存儲元件。
圖10：在另一種主動平衡方案中，一個變壓器負責在單個電池和一組電池之間轉移電荷。電池電荷狀態信息被用來從6個電池的電池組選擇需要充電和放電的電池。
簡化模擬電路導致了數字電路的復雜化
把一個含有100個電池的電池組分成若干個模組使得模擬電路的集成化變得更加容易。不幸的是，如果采用這種方法，就必需完成一項任務，即：在地電位中的差異超過300V時將數據從測量IC傳輸至主控制器。最直截了當的方法是在每個模組和主控制器之間采用一個數字隔離器(參考文獻3)。然而，數字隔離器價格昂貴，而且需要一個隔離型電源，這樣電池組電池就不必為隔離器的電池側供電。
LTC6802集成了一個可進行菊鏈式連接的SPI，而且這種方法免除了增設數字隔離器的需要(圖11)。該接口利用了這樣一個事實，即：模組N的正電源具有與模組N+1的地相同的電壓。它采用電流在相鄰的模組之間傳輸數據。與模擬電路一樣，模組化方法意味著數據總線必須處理總電池組電壓的一部分。所有菊花鏈的共同缺點是：如果在一個模組中發生故障，則意味著它將失去與堆棧中所有位于其上方的模組通信聯系。此外，由于在模組之間沒有提供電氣性能的隔離，因此該接口還必須處理故障條件下出現的大電壓。LTC6802接口依靠外部分立二極管來隔離故障情況下的反向電壓。
圖11：LTC6802集成了一個可進行菊鏈式連接的SPI，并免除了數字隔離器。
使監視器堅固
汽車制造商必須滿足極高的可靠性標準，這與其產品所使用的電源無關。電池組的組裝和電池組的故障檢測要求均給電池監視系統帶來了挑戰。電池組電池通過一根連接件連接至電池組的監視和平衡電子線路。在電池組的組裝過程中，該連接件以任意順序與電池接觸。電子線路要想安全承受高電壓、低阻抗電池組的熱插拔，就必需采用保護二極管和電阻器。圖12示出了布設在連接件和LTC6802監視IC之間的元件實例(參考文獻4)。元件Q1、R1和R2負責提供被動電池平衡。LTC6802的S(N)輸出用于控制這些元件。元件R3和C1構成了一個用于LTC6802ADC的抗混疊濾波器。二極管D1和D2以及電阻器R4用于提供保護作用。D1是一個標準的6.2V、500mW齊納二極管，當觸點在電池連接工藝中相連時，它將自動地在缺失輸入端上分配安全的電壓。該齊納二極管的6.2V額定電壓既高至足以最大限度地減小來自電池的漏電流，但同時又低至足以保護IC。D2負責保護平衡MOSFETQ1的柵極。R4用于在D2被強制接通的情況下保護S(N)輸出。
圖12：LTC6802中的引腳可平衡電池組電池。
在正常操作期間，電池監視系統必須滿足這樣的要求：任何“失效電池”讀數都不會被錯誤地解釋為“良好電池”讀數。兩種更常見有可能導致錯誤讀數的故障是開路和IC失效。如果在連接件中存在開路，且如果在ADC輸入端上布設了一個濾波電容器，則該電容器往往會把輸入電壓保持在介乎相鄰電池電壓之間的某個點上。需要某種類型的導線開路檢測或電池電阻測量功能。一種方法是短暫地接通被動平衡電路。如果電池連接開路，則測得的電壓將是0V。一種類似的方法是間或地從監視電路給電池加載DC電流，以觀察電池電壓讀數是否發生變化。LTC6802具有針對該用途的可選直流負載(圖13)。
圖13：為了確保任何“失效電池”讀數都不會被錯誤地解釋為“良好電池”讀數，必需進行某種類型的導線開路檢測(例如：短暫地接通被動平衡電路)。如果電池連接開路，則測得的電壓將是0V。
電池組中另一個普遍的擔憂是IC具有某種未檢出故障。在正常操作期間，主控制器必須要能夠在所有的模組上執行診斷操作。如果這些周期性的自測試出現故障，則控制算法存在疑點，而且必須使電池組離線。例如：如果ADC中的基準改變數值，則讀數無效。保證電壓測量準確度的唯一方法是定期測量第二個獨立基準(圖6)。另一個例子是ADC數字部分中的故障。必須擁有足夠的支持電路或內置測試模式，以確保ADC能夠在其整個輸入范圍內正常運作。
為了限制使電池組離線的可能性，大多數電池監視電路都具有堅固的自測試和冗余測量硬件。如果主監視電路未能進行定期自測試，則冗余電路的存在將為用戶的設備提供有效測量，直至技術人員解決相關問題為止。冗余的等級是一個日益受到電池監視系統設計師和汽車供應商廣泛關注的話題。
可以預計，基于鋰離子電池和鋰聚合物電池的工業電池將會不斷地發展，它們將憑借出色的能量密度、功率密度和循環壽命而使汽車性能得以改善。電池管理系統將隨著IC的發展而不斷取得進步，從而以較低的系統成本來實現更高的集成度和準確度。
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