在不久的將來，綠色革命便可能獲致重大勝利。當大規模電能成為“可儲存”和“可攜式”能源時，能量效率將獲得顯著的改善，而且可再生能源的推動工作也將獲得進展。可儲存性和可攜性的結合，形成液體燃料的主要優勢，而透過電池系統提供的電力，則擁有提供一種可行替代方案的潛力。電能可適合於幾乎所有的耗能設備中，而且，電能幾乎也可以從所有的可用能源來產生。核能、太陽能、風能、地熱能和液體燃料(汽油、柴油、乙醇、氫 … 等等)都能夠很容易地轉換成電能。因此，與石油燃料相比，電力具有一項重大的優勢，原因是可以利用最具成本效益的解決方案隨時隨地產生能量。
電能的標準化不僅可實現規模經濟，同時更可免除局部燃料消耗所需的基礎設施。優越的電能可儲存性便於發電(效率最高，且不是on demand的)，例如：風力發電和太陽能發電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存性則令該問題獲得解決。優越的電能可攜性允許其作為汽車(這是一個重大耗能來源)的能源。隨著時間的推移，其他傾向於使用綠色能源的應用肯定將得獲益於此項技術。
電動汽車成為“綠色產品”的原因？
電動汽車為綠色革命提供發展良機的原因很多。例如，電動汽車以電力取代了燃油動力。電力能源的生成效率很高，而且如前文所述，它可以從幾乎所有的能源來獲得註1。此外，電動汽車的能源使用效率也高於燃油汽車。大多數汽車在運行時將經歷一個“加速、減速和空轉”的連續週期。相比之下，易變的負載(比如：加速或減速)更有利於電動馬達(而非燃油引擎)，因為它在低速條件下提供了高轉矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負載範圍內達到最高，而且，為了滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的，用於把汽油能量轉換為動能的合成引擎效率通常為20%，而另一方面，電動馬達在把電能轉換為動能的過程中則實現了90%的典型效率。此外，電動馬達還無須在停靠時因為空轉而無謂地消耗能量，而且電動系統還具備透過再生制動來恢復機械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里註2這一事實，我們便能看出能量效率的整體改善情況。
不過，在現今市場上，純電動汽車還不是一項可行的解決方案，原因是其行駛距離受限於車上所能儲存的能量。目前常見的電池堆在充電8小時之後，能夠讓一輛電動汽車行駛100英里，而一個普通的汽車油箱則能為一輛標準汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到消費者的廣泛接受，那麼電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。一項應運而生的解決方案，是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時仍然擁有綠色能源的大多數好處。油電混合動力車採用了一個車載燃油引擎(用於電池充電)，並在需要的時候在最有效的速度/轉矩範圍內操作該引擎。
擴大綠色能源的應用領域
毫無疑問，電動汽車的成功將有助於其他應用中高性能電池系統找到屬於自己的生存空間，從而推進其價格的下降和效能的提升。對於局部發電(包括光電能或風力發電系統)，電池可以發揮至關重要的平衡作用，而且，當可以使用電力時，它還能充當備援電源系統。目前的電池系統相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統將提供較高的能量密度，旨在實現外形較小、價格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。
由電池來提供有效的電能
對於高功率電池應用而言，鋰電池可作為首選的化學電池，這主要是因為它具有高能量密度。當今的電動汽車和油電混合動力車採用的是鎳氫電池，而轉用鋰離子電池將使能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達數千次的充放電迴路過程中保持可靠，電池系統必須解決諸多技術難題。鋰電池的性能，取決於電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率、以及充電狀態 (SOC)。這些因素並不是獨立的。例如：鋰電池在放電時將產生熱量，因而會增加放電電流。這有可能形成一種熱失控狀態並導致災難性故障的發生。另外，把鋰電池充電至100% SOC或放電至0% SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰電池的操作限制在某個SOC範圍內(比如：20%至80%)，此時的可用容量僅為規定容量的60%。不僅如此，鋰電池還具有平坦的放電曲線，其中，1%的SOC變化可能僅表現為幾mV的電壓差異。為了充分利用電池的可用電壓範圍，電池系統必須非常準確地監視該電池電壓(它直接對應於SOC)。
除了鋰電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一項重要的考慮。如欲從一個電氣系統(比如：用於給車輛加速所需的電氣系統)來提供有效的功率，則需高達數百伏的電壓。為深入理解，可考量：在1V電壓條件下傳送 1kW功率需要1000A電流；而在100V電壓條件下傳送1kW功率則僅需10A電流。系統佈線和互連線中的固有電阻將轉換成IR損耗，因此，設計師採用了切實可行的最高電壓/最低電流。對於一個基於電池的系統(此處，典型鋰電池具有一個4.2V的充飽電電壓)，必須採用串聯的方式將許多電池連接成一長串。請記住：作為一長串電池的一部分，任何單個電池發生故障都將導致整個電池堆無法使用，而且在電池串中每添加一個電池都會提高此種風險。
採用鋰電池來製作一個高電壓電池堆的挑戰並不容小覷。像對待單個電源那樣來對一個鋰離子電池堆進行充電和放電是行不通的。對於其中那些容量略小的電池而言，在經過多個充電和放電週期之後，其SOC將逐漸與其他電池產生偏差。如果不對每個電池的SOC進行週期性的均衡或平衡處理，則有些電池最後將發生過度充電或過度放電的現象，從而造成受損，並最終導致整個電池堆發生故障。因此，一個電池控制系統必須謹慎地管理每個電池。可以把這個問題劃分為資料獲取和控制兩個方面。控制方面包括根據系統資料來對每個電池進行充電和放電的演算法和方法。這在很大程度上取決於具體應用，而且常涉及受到嚴密保護的智慧財產權。資料擷取透過電池堆介面來完成，該介面必須沿著高電壓電池堆快速而準確地一一測量每個電池的電壓。這需要具備從一個 0V至1000V以上(當提升電池堆電壓時)的共模電壓來抽取一個小差動電壓的能力。這是一個棘手的難題，其需要把多種高性能類比功能組合起來。
LTC6802
凌力爾特的LTC6802可處理大型電池堆的資料擷取任務，而且特別適合於鋰電池。LTC6802可與一個包括多達12個單獨電池的電池串中的每個電池直接相連。透過運用一個獨特的位準移位元串列介面，能夠把多個LTC6802元件串級起來(無需使用光耦合器或光隔離器)，以實現長串串級電池中每節電池的精準電壓監視。當把多個LTC6802元件串聯起來時，它們就能夠同時運作，從而使得電池堆中所有電池的電壓測量都能夠快速而準確地完成。
電壓測量準確度優於99.75%，而且一個電池堆中所有電池的電壓測量都能在13ms的時間之內完成。對每節電池均進行了欠壓和過壓條件監視，並提供了一個相關的MOSFET開關，可被用來對過充電電池進行放電。每個LTC6802透過一個支援廣播和編址命令的1MHz串列介面進行通訊。另外，該元件還包含兩個熱敏電阻輸入、兩條GPIO線和一個5V穩壓器。並針對充滿挑戰性的汽車環境進行特殊的考量；LTC6802專為在工業溫度範圍內運作而設計，並具有高ESD、EMI和雜訊免疫力，以及內建診斷和自我測試功能。
這款高整合、高效能多顆電池監視IC ，解決了當今先進電池系統所面臨的諸多問題。由於可在整個工作溫度範圍內進行高精度的電壓測量，因而使得電池能夠在其整個可用SOC範圍內使用，而且根本不用擔心電池會超出這些限值。這種強固性將使得該元件能夠在汽車環境中可靠地運作，再者，高整合度還可使電池系統滿足嚴苛的成本、空間和可製造性約束條件。
圖2：LTC6802方塊圖
結語
經過多年的努力和穩定發展後，不久，高能量電池系統就將能夠滿足人們日常使用的需要，尤其是作為電動汽車和油電混合動力車的一部分。該技術可望在全球範圍內大幅度地提升能量效率，並將使人們更加重視替代能源。在實現這些目標之前，必須解決諸多層面的技術問題，以造就實用、經濟和可靠的電池系統。凌力爾特的LTC6802，旨在解決主要問題之一，這款電池監視IC把資料擷取任務的處理電路整合在單個元件之中，而能支援非常長的電池串。憑藉電動汽車和油電混合動力車的成功態勢，成本效益型和高性能電池系統，將很快可實現眾多的綠色技術。
註1：據CalCars(the California Car initiative)的資料，利用電網電力來運行一部電動汽車的成本相當於支付0.75美元/加侖的汽油費。
註2：假設平均電價為0.10美元/kWh，每英里耗電量為0.13kWh。
電能的標準化不僅可實現規模經濟，同時更可免除局部燃料消耗所需的基礎設施。優越的電能可儲存性便於發電(效率最高，且不是on demand的)，例如：風力發電和太陽能發電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存性則令該問題獲得解決。優越的電能可攜性允許其作為汽車(這是一個重大耗能來源)的能源。隨著時間的推移，其他傾向於使用綠色能源的應用肯定將得獲益於此項技術。
電動汽車成為“綠色產品”的原因？
電動汽車為綠色革命提供發展良機的原因很多。例如，電動汽車以電力取代了燃油動力。電力能源的生成效率很高，而且如前文所述，它可以從幾乎所有的能源來獲得註1。此外，電動汽車的能源使用效率也高於燃油汽車。大多數汽車在運行時將經歷一個“加速、減速和空轉”的連續週期。相比之下，易變的負載(比如：加速或減速)更有利於電動馬達(而非燃油引擎)，因為它在低速條件下提供了高轉矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負載範圍內達到最高，而且，為了滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的，用於把汽油能量轉換為動能的合成引擎效率通常為20%，而另一方面，電動馬達在把電能轉換為動能的過程中則實現了90%的典型效率。此外，電動馬達還無須在停靠時因為空轉而無謂地消耗能量，而且電動系統還具備透過再生制動來恢復機械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里註2這一事實，我們便能看出能量效率的整體改善情況。
不過，在現今市場上，純電動汽車還不是一項可行的解決方案，原因是其行駛距離受限於車上所能儲存的能量。目前常見的電池堆在充電8小時之後，能夠讓一輛電動汽車行駛100英里，而一個普通的汽車油箱則能為一輛標準汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到消費者的廣泛接受，那麼電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。一項應運而生的解決方案，是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時仍然擁有綠色能源的大多數好處。油電混合動力車採用了一個車載燃油引擎(用於電池充電)，並在需要的時候在最有效的速度/轉矩範圍內操作該引擎。
擴大綠色能源的應用領域
毫無疑問，電動汽車的成功將有助於其他應用中高性能電池系統找到屬於自己的生存空間，從而推進其價格的下降和效能的提升。對於局部發電(包括光電能或風力發電系統)，電池可以發揮至關重要的平衡作用，而且，當可以使用電力時，它還能充當備援電源系統。目前的電池系統相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統將提供較高的能量密度，旨在實現外形較小、價格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。
由電池來提供有效的電能
對於高功率電池應用而言，鋰電池可作為首選的化學電池，這主要是因為它具有高能量密度。當今的電動汽車和油電混合動力車採用的是鎳氫電池，而轉用鋰離子電池將使能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達數千次的充放電迴路過程中保持可靠，電池系統必須解決諸多技術難題。鋰電池的性能，取決於電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率、以及充電狀態 (SOC)。這些因素並不是獨立的。例如：鋰電池在放電時將產生熱量，因而會增加放電電流。這有可能形成一種熱失控狀態並導致災難性故障的發生。另外，把鋰電池充電至100% SOC或放電至0% SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰電池的操作限制在某個SOC範圍內(比如：20%至80%)，此時的可用容量僅為規定容量的60%。不僅如此，鋰電池還具有平坦的放電曲線，其中，1%的SOC變化可能僅表現為幾mV的電壓差異。為了充分利用電池的可用電壓範圍，電池系統必須非常準確地監視該電池電壓(它直接對應於SOC)。
除了鋰電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一項重要的考慮。如欲從一個電氣系統(比如：用於給車輛加速所需的電氣系統)來提供有效的功率，則需高達數百伏的電壓。為深入理解，可考量：在1V電壓條件下傳送 1kW功率需要1000A電流；而在100V電壓條件下傳送1kW功率則僅需10A電流。系統佈線和互連線中的固有電阻將轉換成IR損耗，因此，設計師採用了切實可行的最高電壓/最低電流。對於一個基於電池的系統(此處，典型鋰電池具有一個4.2V的充飽電電壓)，必須採用串聯的方式將許多電池連接成一長串。請記住：作為一長串電池的一部分，任何單個電池發生故障都將導致整個電池堆無法使用，而且在電池串中每添加一個電池都會提高此種風險。
採用鋰電池來製作一個高電壓電池堆的挑戰並不容小覷。像對待單個電源那樣來對一個鋰離子電池堆進行充電和放電是行不通的。對於其中那些容量略小的電池而言，在經過多個充電和放電週期之後，其SOC將逐漸與其他電池產生偏差。如果不對每個電池的SOC進行週期性的均衡或平衡處理，則有些電池最後將發生過度充電或過度放電的現象，從而造成受損，並最終導致整個電池堆發生故障。因此，一個電池控制系統必須謹慎地管理每個電池。可以把這個問題劃分為資料獲取和控制兩個方面。控制方面包括根據系統資料來對每個電池進行充電和放電的演算法和方法。這在很大程度上取決於具體應用，而且常涉及受到嚴密保護的智慧財產權。資料擷取透過電池堆介面來完成，該介面必須沿著高電壓電池堆快速而準確地一一測量每個電池的電壓。這需要具備從一個 0V至1000V以上(當提升電池堆電壓時)的共模電壓來抽取一個小差動電壓的能力。這是一個棘手的難題，其需要把多種高性能類比功能組合起來。
LTC6802
凌力爾特的LTC6802可處理大型電池堆的資料擷取任務，而且特別適合於鋰電池。LTC6802可與一個包括多達12個單獨電池的電池串中的每個電池直接相連。透過運用一個獨特的位準移位元串列介面，能夠把多個LTC6802元件串級起來(無需使用光耦合器或光隔離器)，以實現長串串級電池中每節電池的精準電壓監視。當把多個LTC6802元件串聯起來時，它們就能夠同時運作，從而使得電池堆中所有電池的電壓測量都能夠快速而準確地完成。
電壓測量準確度優於99.75%，而且一個電池堆中所有電池的電壓測量都能在13ms的時間之內完成。對每節電池均進行了欠壓和過壓條件監視，並提供了一個相關的MOSFET開關，可被用來對過充電電池進行放電。每個LTC6802透過一個支援廣播和編址命令的1MHz串列介面進行通訊。另外，該元件還包含兩個熱敏電阻輸入、兩條GPIO線和一個5V穩壓器。並針對充滿挑戰性的汽車環境進行特殊的考量；LTC6802專為在工業溫度範圍內運作而設計，並具有高ESD、EMI和雜訊免疫力，以及內建診斷和自我測試功能。
這款高整合、高效能多顆電池監視IC ，解決了當今先進電池系統所面臨的諸多問題。由於可在整個工作溫度範圍內進行高精度的電壓測量，因而使得電池能夠在其整個可用SOC範圍內使用，而且根本不用擔心電池會超出這些限值。這種強固性將使得該元件能夠在汽車環境中可靠地運作，再者，高整合度還可使電池系統滿足嚴苛的成本、空間和可製造性約束條件。
圖2：LTC6802方塊圖
結語
經過多年的努力和穩定發展後，不久，高能量電池系統就將能夠滿足人們日常使用的需要，尤其是作為電動汽車和油電混合動力車的一部分。該技術可望在全球範圍內大幅度地提升能量效率，並將使人們更加重視替代能源。在實現這些目標之前，必須解決諸多層面的技術問題，以造就實用、經濟和可靠的電池系統。凌力爾特的LTC6802，旨在解決主要問題之一，這款電池監視IC把資料擷取任務的處理電路整合在單個元件之中，而能支援非常長的電池串。憑藉電動汽車和油電混合動力車的成功態勢，成本效益型和高性能電池系統，將很快可實現眾多的綠色技術。
註1：據CalCars(the California Car initiative)的資料，利用電網電力來運行一部電動汽車的成本相當於支付0.75美元/加侖的汽油費。
註2：假設平均電價為0.10美元/kWh，每英里耗電量為0.13kWh。
