引言

就混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)而言，使用鋰離子電池，可在功率、能量密度、效率和環境影響之間取得最佳平衡。但同時，鋰離子電池也是易損壞和危險的，而汽車環境又相當棘手、難以應付。混合動力汽車和電動汽車的電子產品面臨的挑戰是，彌補要求苛刻的汽車環境和電池敏感性之間的差距。汽車環境的苛刻和電池的敏感堪稱地獄中的絕配。

考慮到汽車對能量、功率和環境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務。鋰離子電池以滿充電狀態或滿放電狀態工作時，容量會降低。考慮到循環往復的充電、組與組之間的差別和不同的環境條件，每節電池的容量都會隨著時間推移而降低并產生偏離。因此，電池組要實現15年、5000個充電周期的目標，每節電池都必須保持在有限的工作范圍內工作。通過控制每節鋰離子電池的充電狀態(SOC)，可以最大限度地提高電池組的容量，同時最大限度地減輕容量的降低。確保高效率、安全地使用汽車電池組，是電池管理系統(BMS)的責任。

電池管理系統的任務是，仔細跟蹤和控制每節電池的充電狀態1。電池管理系統的測量準確度至關重要，因為它決定了每節電池能多么靠近其可靠充電狀態范圍的邊緣工作。最大限度地提高可用容量的能力決定了所需的電池數量，而電池數量對成本和重量有很大的影響。準確地測量每節電池的電壓相當困難，因為電池組中的電池易受高共模電壓和高頻噪聲的影響。為了理解這一點，我們想想以下事實：電動汽車/混合動力汽車的電池組通常電壓非常高，由100至200個串聯連接的電池組成。這類電池組必須提供可能超過 200A的快速充電和放電電流，在電池組的頂端，電壓瞬態有可能超過100V。

對成本和可靠性的關注導致汽車電子產品向集成度更高、組件數更少的方向發展。在高度復雜的電池管理系統中，這種趨勢尤其明顯，在這類系統中，我們看到，諸如凌力爾特 LTC6802這類電池監視IC已經出現。在新式電池管理系統中，這類高度集成的器件是關鍵的數據采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類器件降低了成本、減少了所需占用的空間和組件數。電池監視器的主要功能是，直接測量串聯連接電池的電壓，典型情況下每個IC監視12個通道。這類IC中還包括電池容量平衡控制和額外的測量輸入 (如用于溫度的輸入)。為了應對高壓電池組，這類器件一般設計為通過菊花鏈式串行接口相互通信。在電池管理系統中，有一個組成部分一般不可能成功集成到電池監視IC中，那就是嵌入式軟件。充電狀態算法是受到嚴密保護的技術，是特定于化學組成、尺寸、外形、工作條件和應用的。就新式高壓、大功率電池組而言，現成有售的算法不可能有用，嵌入式軟件使故障機制影響分析 (FMEA) 變得復雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統設計師無法進行直接控制。圖1說明了由任意節電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池組管理系統的算法是軟件編碼的，并由開發商獨家控制。

圖1：由很多節電池組成的電動汽車/混合動力汽車電池模塊的基本拓撲

電池監視IC的一個關鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車噪聲。例如，很多電池監視器使用快速SAR轉換器實現電池的數字化，在超過100個通道的數據采集系統中，這似乎是有利的。然而，汽車環境是有噪聲的，需要進行大量的濾波，而且這種濾波決定有效吞吐量，而不是采樣率。由于這個原因，增量累加(DS)ADC比SAR轉換器有優勢。就給定的10kHz 噪聲抑制量而言，每秒1000次采樣的DS ADC提供的吞吐量與每秒100萬次采樣的SAR ADC提供的吞吐量相同。例如，LTC6802采用一個每秒1000次采樣的DS ADC，該ADC在10ms時間內可順序對10個輸入通道采樣。內置的線性相位數字濾波器對10kHz開關噪聲提供36dB的抑制。要在10kHz時獲得相同的噪聲抑制，每秒100萬次采樣的SAR轉換器在每節電池上都需要一個轉角頻率為160Hz的單極性RC濾波器 (參見圖2)。RC濾波器的12位穩定時間為8.4ms，即使SAR ADC能在10μs時間內順序對10個通道采樣，由于濾波器的響應，每8.4 ms超過1 次的掃描也是沒有意義的。

圖2：增量累加轉換器和采用RC電路的SAR轉換器的比較增量累加轉換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量

1充電狀態控制要求電池容量平衡。通過有選擇地給一些電池放電或移走電荷，可以實現電池容量平衡，從而使電池電壓保持匹配，并處于特定范圍之內。

在一長串電池監視IC的情況下，串行接口也是一個重要的考慮因素，凌力爾特提供兩種截然不同的選擇。一種選擇 (也是大多數電池監視IC所支持的) 是菊花鏈式接口。采用菊花鏈式接口時，無需光耦合器或隔離器，鏈中每個IC就可與相鄰IC通信，只留下底部的器件與單個微處理器或控制單元連接。此外，凌力爾特還提供第二種選擇，即采用單獨可尋址的串行接口。采用這種接口，單個微控制器通過隔離與多個并聯器件通信。這種拓撲提供本身更加可靠的“星形配置”，因為失去與一個器件的通信不會隔斷與其他任何器件的通信。可尋址器件還可用在經過修改的菊花鏈式拓撲中，在這種拓撲中，相對昂貴的隔離器已經成為過去，取而代之的是不那么昂貴的“晶體管化”SPI總線配置。結果是具有極寬兼容范圍的串行接口。

經過兩年的生產并基于經過實踐檢驗的設計，凌力爾特推出了第二代器件。比較第一代和第二代器件，可以對未來高壓電池系統的發展方向有一些深入的了解。LTC6803的主要目標之一是，即使在最極端的噪聲情況下，也能確保無差錯通信。 對所有命令和數據都進行包誤差檢測，以確保通信完整性。LTC6803系列繼續支持菊花鏈式和單獨可尋址串行通信，同時LTC6803菊花鏈能承受超過20V的AC噪聲和30V的快速開關尖峰，而不會產生誤差(圖3)。

 

圖3：第二代菊花鏈可抵抗強噪聲

LTC6803有獨立的電源輸入，該輸入可斷接，同時其他連接保持完好無損(圖 4a)。在這種硬件停機情況下，LTC6803僅吸取幾nA的電流。這對電池組的長期儲存很重要，因為集成的電池管理系統消耗的電流有可能使電池組中的電池容量失衡。LTC6803還可以用一個獨立的電源工作，從而允許從一個單獨的電源而不是電池組吸取電源電流，如圖4b所示。該器件還允許使用簡單的斷電功能。此外，采用單獨的電源時，即使所有電池的電壓都已急劇下降 (在使用超級電容器和燃料電池時可能出現)，LTC6803仍可繼續監視大量電池。圖4c說明了擁有獨立電源輸入的優點。

汽車中的電子產品日益增多，這促使產生了有關汽車電子產品質量和可靠性的新標準。因此，出現了諸如AEC Q100、ISO 26262等汽車電子產品標準。這些標準轉化成了廣泛的限定條件和內部功能，以確保滿足系統安全要求。例如，LTC6803是與ISO 26262兼容的系統。ISO 26262是一個實用的安全標準，定義了汽車系統的安全要求，并對系統級設計問題產生影響，如冗余度、網絡配置、數據收集、傳感器，等等。LTC6803內置了導線開路檢測、數字濾波器檢查、多路復用器解碼器檢查功能以及看門狗定時器和一個備用電壓基準，以實現全面的自測試能力。

圖5：LTC6803的內部自測試功能

LTC6803中還包括很多其他改進，以滿足標準汽車設計之外的需求。例如，LTC6803提供擴展的-300mV至5V測量范圍，該范圍支持超級電容器和鎳氫金屬電池。LTC6803完全規格在-40℃至125℃的溫度范圍內工作，LTC6803還設計成能承受高達75V的電源電壓，以提供超過20%的過壓裕度。

汽車環境對電子產品而言非常嚴酷，然而汽車的日益電氣化也是無可辯駁的事實。電動汽車和混合動力汽車中的鋰離子電池系統不久就將成為主流，而諸如LTC6803等尖端測量器件是鋰離子電池系統取得成功所必不可少的。不僅需要這類器件來實現準確測量，而且這些器件必須能在非常艱難的條件下長期可靠工作。今天，凌力爾特的LTC6802已經通過跑在路上的汽車證明，上述看法是正確的。毫無疑問，在明天的汽車市場上，LTC6803無疑將繼續LTC6802的輝煌。