引言
最新一代高性能鋰離子電池所提供的性能和成本特性，對於實用的汽車能量儲存承諾上達到良好實踐。這種技術的迅速運用，已經在汽車業界觸發了空前頻繁的設計運動，因為製造商積極搶佔有利地位，以抓住迅速成長的混合動力車(HEV)和全電動車(EV)市場商機。鋰離子電池應用之成功關鍵，在於其效能監視功能，其不僅要計算電量以作為運行衡量標準，還要透過防止可能使電池發生老化的情況來確保電池組的壽命。尤其與其他電池化學材料相比時，鋰離子電池對過度充電或過度放電的容忍度低得多，因此，就成功的電動/混合動力車電池管理系統而言，必須連續監視和平衡單顆電池的電壓。以高壓和熱插拔方面之風險而言，電池管理系統資料擷取電路代表巨大的設計挑戰，在這種電路中，對於測量近100個串聯連接的電池電壓是有可能的。
關鍵性的電池管理系統功能
在完全充電時，鋰離子電池可提供約為4V的工作電壓，在完全放電時則約為2V，具體的充電和放電電壓取決於電池類型，並由電池廠商仔細規定。例如，A123的ANR26650M1 2.3Ah電池通常充電至3.6V，而且在1.6V時就認為沒電了。電動/混合動力車應用所使用的電池陣列常常配置為提供高達400V的電壓，一般以大概100V或更低電壓的模組化元件形式出現。電池組封裝分接出每顆電池的電壓，並將這些訊號提供給電池管理系統的資料擷取部分。其目標是以高準確性和高解析度(典型值為12位)測量每顆電池的電壓以及溫度等其他參數。採集電路一般會利用電池檢測連接作為局部電源。為了安全起見，到主處理器的數位資訊流必須利用一種基於光、磁或電容的傳輸方法進行電流隔離。
用於鋰離子技術之電池管理系統的另一個重要功能，是進行電池平衡，以補償輕微的電池不匹配，並將電池組工作壽命達到最高。在目前的電池管理系統設計中，這是透過按照需切換電壓最高電池上的負載電阻，以被動方式進行的。這種被動方法需要一些熱設計，以消除與平衡過程相關的熱損。未來的平衡方法，人們正設想採用冷卻運行、高效率主動開關模式電源轉換技術。
混合動力和電動車電池系統的設計，是必須使其能在安裝之前和在汽車運輸或儲存時，可承受長期不工作狀態。由於這個原因，任何電路模組消耗的閒置功率要遠低於電池自我放電功率，這是相當重要的，而且必須將過度放電風險降至最低。甚至，更重要的是，沿著電池串流動的閒置電流必須被良好匹配，以確保這些電池在儲存時的平衡。
電池管理系統架構考量因素
為了追蹤電動車/混合動力車的負載動態特性，包括放電和充電工作模式，電池監視電子元件以每秒50個取樣或更高的速率對所有電池電壓取樣。這意味著電池組有極大的原始資訊流動速率，就一個由96顆電池組成的電池組而言，負載取樣速率也許會達到60kbps。如果考慮典型的微處理器功率和其他必需開銷，在模組級分配處理工作量，且透過誤差標記、其他“預加工”充電資訊、以及高級控制來限制隔離之資料連結中的資訊流是有意義的。
此外，每節電池的擺放也必須加以考慮，因為在汽車應用中，電池的實際尺寸和重量對可用性和重量分配具有實質意義。將電池擺放到模組中，可用來在一輛汽車中分配重量，以及提供共通性和易操縱性。模組尺寸必須是針對電動/混合動力車市場而設計的，在這一個市場上，較小的尺寸往往會提高成本和繞線配線的複雜性。模組化電池組裝可能包含一個控制資料擷取過程的微處理器和一個強固的通訊介面。
資料擷取方法
在電池組模組內，電路系統測量和控制電池電壓是必要的。因電池串上每節電池的電壓都有一個依次升高的共模電壓，典型解決方案，是在每節電池上使用一個高品質、高共模差動放大器。這個差動放大器提供一個轉換訊號，這個訊號由一個類比數位轉換器(ADC)來進行數位化。差動放大器輸入端的高共模電壓將是準確性的限制因素。以一個如LT1991A之高效能單晶差動放大器而言，典型共模抑制比(CMRR)為 90dB，而且對大約50V的共模輸入電壓、或者大約12個鋰離子電池的電壓而言，可提供12位元性能。這也對應了LT1991A(最高60V)的輸入電壓能力，因此一個實用設計可處理一組 12 顆電池電壓的讀數。這樣的電路系統可以適當地隔離，因此可以重複堆疊，以按照所需獲得更多的電池電壓讀數。當然，低閒置功率和電池平衡等其他電池管理系統需求，也需要大量的附加元件來加以滿足。
一種更具成本效益的方法，是採用一個專門為完成此任務而設計的整合監視器解決方案。LTC6802就是這樣一個“建置區塊”元件，它可以最少的元件構成電池模組，且滿足前面提到的所有電池管理系統性能需求。這個多顆電池監視器元件對多達12個串聯連接的電池電壓提供準確的12位元直接數位化、以及電池平衡控制和甚至一對用於溫度讀數或其他參數的附加ADC輸入。
LTC6802 ADC不像差動放大器電路般依賴電阻網路，並且在每節電池上，都具備一個一致的輕負載，在閒置時並自動採用一種低功率待機狀態以降低功率。一個到本機微處理器的串列週邊介面(SPI)數位連接，構成指令和資料通訊途徑。LTC6802 IC可用作一個至微處理器的標準從屬I/O元件，並使所有電池管理系統演算法都能透過軟體編碼，且由開發商專屬控制。LTC6802之其中一個版本包含一個可以串級的SPI埠，因此允許很多“堆疊”的電池分組透過微處理器的單一SPI埠工作，如此可進一步降低模組設計的成本和複雜性。
電池平衡電路
目前這一代電池管理系統設計之電池平衡，是採用被動方式完成的，其對模組或電池組中具較多電荷的電池兩端負載電阻進行切換操作。均衡電流一般由監視器IC外部的電晶體處理，如此可達到充足的電流，並避免可能對準確性造成影響的晶片發熱問題。圖2顯示一個與LTC6802共同使用的典型電池輸入電路，其中包括一個小型PMOSFET開關和一個用於平衡的負載電阻以及用於濾波和保護的其他被動元件。
電池平衡開關的控制，是以一項從微處理器至監視器IC的指令達成。為了達到最高的準確性，該監視器IC可在ADC轉換時打開電池平衡開關，以確保電池連接中的I*R壓降達到最低，如此可在測試時準確地測量每節電池的電壓。在不工作時，監視器IC自動打開所有平衡開關，並採用最低功耗狀態，以防止意外的電池放電。
電池平衡開關還可以透過增加一個與電池輸入串聯的電阻來作為自我測試，如圖2所示。如果開關接通，那麼電池電壓讀數就會顯示一個可預測的變化，而對開關和ADC埠功能提供驗證。不過，這個功能要求電池平衡開關在ADC轉換時是接通的。LTC6802已經掌握這種自我測試功能，而ADC測量並能在此情況下以簡單的配置指令啟動。
熱插拔的影響
將大型電池組連接到電子元件的過程，也產生了巨大的設計挑戰。一般情況下，資料擷取電子元件在電池連接上之前是不供電的。此外，電池到電子元件的連接需要大量接觸點，通常橫跨很多單個連接器。結果是，在連接情況下熱插拔可能隨機發生。隨著電容充電，這也許形成異常的湧浪電流路徑，尤其是圖2所示的濾波器電容。儘管一般情況下IC包含內部保護結構，以防止處理和組裝引起的損壞，但是這些結構不是用來管理與外部電容相關的大量能量，而且晶片外保護需謹慎實施。圖2顯示了對開關和IC的幾種層次的保護。
為防止電池輸入之間的能量壓差，可以在每顆電池輸入上增加標準 6.2V/500mW齊納二極體。這些二極體在電池連接過程中，當接觸點連接時，會自動在缺失的輸入上分配安全電壓。它們還攜帶RC濾波器部分所需的暫態電流。選擇6.2V額定值的齊納二極體，是因為其電壓夠高，可將電池漏電流降到低至幾微安，同時其具有夠低的電壓來保護IC。
隨著電路供電，某些連接序列可能在濾波器電阻上引起高暫態電壓。這種電壓大部分會加在相聯MOSFET的閘源之間。由於這個原因，因此我們建議與每個 MOSFET 的箝位保護一起使用一個串聯閘極電阻，如3.3kΩ。箝位保護通常在電晶體封裝內部，但是如果內部沒有，則獨立式的齊納二極體可以提供這種保護。在這種情況下，應選擇閘極齊納電壓以防止過高MOSFET的VGS規格。在圖2中，選擇該二極體與所提及MOSFET的VGS額定值匹配。閘極電阻將閘極齊納二極體和IC開關控制接腳之間的暫態電流限制至一個安全水準，同時仍然確保一個快速的閘極控制回應。
基準設計細節
圖3顯示一組12個串聯連接的鋰離子電池與LTC6802-1監視器IC連接的完整原理圖。具有更多節電池的電池模組可以按照需求複製這個電路，再加上一個微處理器和/或隔離的資料收發器。在具有更多節電池的模組中，使用的額外 IC只是串聯其SPI連接。LTC6802獨一無二的位準轉換架構是可配置的，以使普通電壓模式SPI訊號可直接與微處理器溝通。就IC之間的通訊而言，這些串聯元件配置，是以一個電流模式SPI訊號工作。LTC6802可以小至4節的電池工作，以支援各種不同的電池模組排列架構。
這個原理圖還顯示了如何看待資料埠以提供強固的可靠性，以免受到開機湧浪以及在汽車使用時可能發生ESD事件的影響。較低的SPI埠使用一個標準和匯流排導向的湧浪抑制器，該抑制器像低電容齊納二極體般，可提供邏輯電壓箝位。圖中所示的串聯電阻可保護湧浪抑制器免受短暫過載的影響，但是如果發生一個持續和所需能量之故障，串聯電阻便會安全地阻止開路。在高端的 SPI埠處顯示了一種不同的處理方式，正超載由肖特基二極體箝位到最高端的電池連接，負超載由600V二極體隔離。負超載情況設計為無害的，因為在模組整合到汽車中的組裝或服務階段，這是相對可能出現的情況，在這種情況下，模組電壓的堆疊也許是斷斷續續的。在這裏，串聯電阻限制了埠電流，並在發生嚴重故障時變成犧牲元件。
LTC6802也提供了其他的實用功能，這些功能簡化為諸如板上5V串聯穩壓器、通用ADC輸入、通用數位輸入和輸出(GPIO)等模組電路系統。例如，GPIO可以用作多工器控制，以將兩個ADC輸入擴展至8個通道的容量。為了確保IC可穩定的工作，所提供的開汲極輸出看門狗計時器並可用來指示通訊的閒置期。
結論
隨著LTC6802電池監視平台的問世，高品質鋰離子電池資料擷取和電池平衡控制的成本和複雜性，也隨著大幅降低。這個整合的解決方案大量減少了元件數，並提升了固有的可靠性，且在最新的電池管理系統中實現了豐富的功能。此外，保護機制的恰當應用，更可在難以應付的電動/混合動力車之高能量電源環境中，提供可靠的運作方案。
最新一代高性能鋰離子電池所提供的性能和成本特性，對於實用的汽車能量儲存承諾上達到良好實踐。這種技術的迅速運用，已經在汽車業界觸發了空前頻繁的設計運動，因為製造商積極搶佔有利地位，以抓住迅速成長的混合動力車(HEV)和全電動車(EV)市場商機。鋰離子電池應用之成功關鍵，在於其效能監視功能，其不僅要計算電量以作為運行衡量標準，還要透過防止可能使電池發生老化的情況來確保電池組的壽命。尤其與其他電池化學材料相比時，鋰離子電池對過度充電或過度放電的容忍度低得多，因此，就成功的電動/混合動力車電池管理系統而言，必須連續監視和平衡單顆電池的電壓。以高壓和熱插拔方面之風險而言，電池管理系統資料擷取電路代表巨大的設計挑戰，在這種電路中，對於測量近100個串聯連接的電池電壓是有可能的。
關鍵性的電池管理系統功能
在完全充電時，鋰離子電池可提供約為4V的工作電壓，在完全放電時則約為2V，具體的充電和放電電壓取決於電池類型，並由電池廠商仔細規定。例如，A123的ANR26650M1 2.3Ah電池通常充電至3.6V，而且在1.6V時就認為沒電了。電動/混合動力車應用所使用的電池陣列常常配置為提供高達400V的電壓，一般以大概100V或更低電壓的模組化元件形式出現。電池組封裝分接出每顆電池的電壓，並將這些訊號提供給電池管理系統的資料擷取部分。其目標是以高準確性和高解析度(典型值為12位)測量每顆電池的電壓以及溫度等其他參數。採集電路一般會利用電池檢測連接作為局部電源。為了安全起見，到主處理器的數位資訊流必須利用一種基於光、磁或電容的傳輸方法進行電流隔離。
用於鋰離子技術之電池管理系統的另一個重要功能，是進行電池平衡，以補償輕微的電池不匹配，並將電池組工作壽命達到最高。在目前的電池管理系統設計中，這是透過按照需切換電壓最高電池上的負載電阻，以被動方式進行的。這種被動方法需要一些熱設計，以消除與平衡過程相關的熱損。未來的平衡方法，人們正設想採用冷卻運行、高效率主動開關模式電源轉換技術。
混合動力和電動車電池系統的設計，是必須使其能在安裝之前和在汽車運輸或儲存時，可承受長期不工作狀態。由於這個原因，任何電路模組消耗的閒置功率要遠低於電池自我放電功率，這是相當重要的，而且必須將過度放電風險降至最低。甚至，更重要的是，沿著電池串流動的閒置電流必須被良好匹配，以確保這些電池在儲存時的平衡。
電池管理系統架構考量因素
為了追蹤電動車/混合動力車的負載動態特性，包括放電和充電工作模式，電池監視電子元件以每秒50個取樣或更高的速率對所有電池電壓取樣。這意味著電池組有極大的原始資訊流動速率，就一個由96顆電池組成的電池組而言，負載取樣速率也許會達到60kbps。如果考慮典型的微處理器功率和其他必需開銷，在模組級分配處理工作量，且透過誤差標記、其他“預加工”充電資訊、以及高級控制來限制隔離之資料連結中的資訊流是有意義的。
此外，每節電池的擺放也必須加以考慮，因為在汽車應用中，電池的實際尺寸和重量對可用性和重量分配具有實質意義。將電池擺放到模組中，可用來在一輛汽車中分配重量，以及提供共通性和易操縱性。模組尺寸必須是針對電動/混合動力車市場而設計的，在這一個市場上，較小的尺寸往往會提高成本和繞線配線的複雜性。模組化電池組裝可能包含一個控制資料擷取過程的微處理器和一個強固的通訊介面。
資料擷取方法
在電池組模組內，電路系統測量和控制電池電壓是必要的。因電池串上每節電池的電壓都有一個依次升高的共模電壓，典型解決方案，是在每節電池上使用一個高品質、高共模差動放大器。這個差動放大器提供一個轉換訊號，這個訊號由一個類比數位轉換器(ADC)來進行數位化。差動放大器輸入端的高共模電壓將是準確性的限制因素。以一個如LT1991A之高效能單晶差動放大器而言，典型共模抑制比(CMRR)為 90dB，而且對大約50V的共模輸入電壓、或者大約12個鋰離子電池的電壓而言，可提供12位元性能。這也對應了LT1991A(最高60V)的輸入電壓能力，因此一個實用設計可處理一組 12 顆電池電壓的讀數。這樣的電路系統可以適當地隔離，因此可以重複堆疊，以按照所需獲得更多的電池電壓讀數。當然，低閒置功率和電池平衡等其他電池管理系統需求，也需要大量的附加元件來加以滿足。
一種更具成本效益的方法，是採用一個專門為完成此任務而設計的整合監視器解決方案。LTC6802就是這樣一個“建置區塊”元件，它可以最少的元件構成電池模組，且滿足前面提到的所有電池管理系統性能需求。這個多顆電池監視器元件對多達12個串聯連接的電池電壓提供準確的12位元直接數位化、以及電池平衡控制和甚至一對用於溫度讀數或其他參數的附加ADC輸入。
LTC6802 ADC不像差動放大器電路般依賴電阻網路，並且在每節電池上，都具備一個一致的輕負載，在閒置時並自動採用一種低功率待機狀態以降低功率。一個到本機微處理器的串列週邊介面(SPI)數位連接，構成指令和資料通訊途徑。LTC6802 IC可用作一個至微處理器的標準從屬I/O元件，並使所有電池管理系統演算法都能透過軟體編碼，且由開發商專屬控制。LTC6802之其中一個版本包含一個可以串級的SPI埠，因此允許很多“堆疊”的電池分組透過微處理器的單一SPI埠工作，如此可進一步降低模組設計的成本和複雜性。
電池平衡電路
目前這一代電池管理系統設計之電池平衡，是採用被動方式完成的，其對模組或電池組中具較多電荷的電池兩端負載電阻進行切換操作。均衡電流一般由監視器IC外部的電晶體處理，如此可達到充足的電流，並避免可能對準確性造成影響的晶片發熱問題。圖2顯示一個與LTC6802共同使用的典型電池輸入電路，其中包括一個小型PMOSFET開關和一個用於平衡的負載電阻以及用於濾波和保護的其他被動元件。
電池平衡開關的控制，是以一項從微處理器至監視器IC的指令達成。為了達到最高的準確性，該監視器IC可在ADC轉換時打開電池平衡開關，以確保電池連接中的I*R壓降達到最低，如此可在測試時準確地測量每節電池的電壓。在不工作時，監視器IC自動打開所有平衡開關，並採用最低功耗狀態，以防止意外的電池放電。
電池平衡開關還可以透過增加一個與電池輸入串聯的電阻來作為自我測試，如圖2所示。如果開關接通，那麼電池電壓讀數就會顯示一個可預測的變化，而對開關和ADC埠功能提供驗證。不過，這個功能要求電池平衡開關在ADC轉換時是接通的。LTC6802已經掌握這種自我測試功能，而ADC測量並能在此情況下以簡單的配置指令啟動。
熱插拔的影響
將大型電池組連接到電子元件的過程，也產生了巨大的設計挑戰。一般情況下，資料擷取電子元件在電池連接上之前是不供電的。此外，電池到電子元件的連接需要大量接觸點，通常橫跨很多單個連接器。結果是，在連接情況下熱插拔可能隨機發生。隨著電容充電，這也許形成異常的湧浪電流路徑，尤其是圖2所示的濾波器電容。儘管一般情況下IC包含內部保護結構，以防止處理和組裝引起的損壞，但是這些結構不是用來管理與外部電容相關的大量能量，而且晶片外保護需謹慎實施。圖2顯示了對開關和IC的幾種層次的保護。
為防止電池輸入之間的能量壓差，可以在每顆電池輸入上增加標準 6.2V/500mW齊納二極體。這些二極體在電池連接過程中，當接觸點連接時，會自動在缺失的輸入上分配安全電壓。它們還攜帶RC濾波器部分所需的暫態電流。選擇6.2V額定值的齊納二極體，是因為其電壓夠高，可將電池漏電流降到低至幾微安，同時其具有夠低的電壓來保護IC。
隨著電路供電，某些連接序列可能在濾波器電阻上引起高暫態電壓。這種電壓大部分會加在相聯MOSFET的閘源之間。由於這個原因，因此我們建議與每個 MOSFET 的箝位保護一起使用一個串聯閘極電阻，如3.3kΩ。箝位保護通常在電晶體封裝內部，但是如果內部沒有，則獨立式的齊納二極體可以提供這種保護。在這種情況下，應選擇閘極齊納電壓以防止過高MOSFET的VGS規格。在圖2中，選擇該二極體與所提及MOSFET的VGS額定值匹配。閘極電阻將閘極齊納二極體和IC開關控制接腳之間的暫態電流限制至一個安全水準，同時仍然確保一個快速的閘極控制回應。
基準設計細節
圖3顯示一組12個串聯連接的鋰離子電池與LTC6802-1監視器IC連接的完整原理圖。具有更多節電池的電池模組可以按照需求複製這個電路，再加上一個微處理器和/或隔離的資料收發器。在具有更多節電池的模組中，使用的額外 IC只是串聯其SPI連接。LTC6802獨一無二的位準轉換架構是可配置的，以使普通電壓模式SPI訊號可直接與微處理器溝通。就IC之間的通訊而言，這些串聯元件配置，是以一個電流模式SPI訊號工作。LTC6802可以小至4節的電池工作，以支援各種不同的電池模組排列架構。
這個原理圖還顯示了如何看待資料埠以提供強固的可靠性，以免受到開機湧浪以及在汽車使用時可能發生ESD事件的影響。較低的SPI埠使用一個標準和匯流排導向的湧浪抑制器，該抑制器像低電容齊納二極體般，可提供邏輯電壓箝位。圖中所示的串聯電阻可保護湧浪抑制器免受短暫過載的影響，但是如果發生一個持續和所需能量之故障，串聯電阻便會安全地阻止開路。在高端的 SPI埠處顯示了一種不同的處理方式，正超載由肖特基二極體箝位到最高端的電池連接，負超載由600V二極體隔離。負超載情況設計為無害的，因為在模組整合到汽車中的組裝或服務階段，這是相對可能出現的情況，在這種情況下，模組電壓的堆疊也許是斷斷續續的。在這裏，串聯電阻限制了埠電流，並在發生嚴重故障時變成犧牲元件。
LTC6802也提供了其他的實用功能，這些功能簡化為諸如板上5V串聯穩壓器、通用ADC輸入、通用數位輸入和輸出(GPIO)等模組電路系統。例如，GPIO可以用作多工器控制，以將兩個ADC輸入擴展至8個通道的容量。為了確保IC可穩定的工作，所提供的開汲極輸出看門狗計時器並可用來指示通訊的閒置期。
結論
隨著LTC6802電池監視平台的問世，高品質鋰離子電池資料擷取和電池平衡控制的成本和複雜性，也隨著大幅降低。這個整合的解決方案大量減少了元件數，並提升了固有的可靠性，且在最新的電池管理系統中實現了豐富的功能。此外，保護機制的恰當應用，更可在難以應付的電動/混合動力車之高能量電源環境中，提供可靠的運作方案。
