直線竄升的能源價(jià)格以及對(duì)二氧化碳排放問(wèn)題的日益擔(dān)憂導(dǎo)致人們對(duì)電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)給予了高度的關(guān)注。為了造就高效型EV和HEV，新型鋰電池設(shè)計(jì)將是關(guān)鍵性的技術(shù)。

為了從鋰電池獲取盡可能多的能量和盡可能長(zhǎng)的使用壽命，需要采用一些精細(xì)復(fù)雜的電子元器件。例如：測(cè)量由100個(gè)串接電池組成的電池組中每個(gè)3.7V電池兩端電壓的能力便是要求之一。如何應(yīng)付370V的共模電壓并抑制100V的共模開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓?面向電動(dòng)汽車(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)和不間斷電源(UPS)應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必需解決許多此類問(wèn)題。

電池是如何使汽車成為“綠色產(chǎn)品”的?而對(duì)于鋰電池為什么存在如此大的異議?首先，根據(jù)CaliforniaCarsInitiative(www.calcars.org)提供的數(shù)據(jù)，汽車的電力運(yùn)行成本相當(dāng)于支付每加侖汽油75美分的油價(jià)。因此，純電動(dòng)汽車具有很低的日常運(yùn)作成本。其次，如果駕駛里程超過(guò)100英里，那么仍然需要采用一部汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，而電池則可使汽油所行駛的里程得以延長(zhǎng)。請(qǐng)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(dāng)采用一個(gè)大型鋰電池組時(shí)，您可以在一個(gè)8小時(shí)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(shí)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(kāi)下去。然而，內(nèi)燃機(jī)的峰值效率僅為30%，而且在每分鐘高轉(zhuǎn)速條件下的平均效率約為12%。采用電池來(lái)提供轉(zhuǎn)矩(在加速期間)并恢復(fù)能量(在剎車過(guò)程中)意味著燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻度較低，而且效率較高，從而實(shí)際上使每加侖汽油所行駛的里程實(shí)現(xiàn)翻番。

給汽車添加電池的第三個(gè)原因是為了減少尾氣排放。耗用一加侖汽油將產(chǎn)生9kg的二氧化碳。清潔能源(比如：風(fēng)能)可轉(zhuǎn)換為電能，且不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放物。因此，電池對(duì)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(chǔ)密度越高，則其效能就越高。當(dāng)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(chǔ)密度提高150%。而到2012年，屆時(shí)大多數(shù)混合動(dòng)力轎車和貨車都將采用鋰電池技術(shù)。

汽車如何采用鋰電池

當(dāng)考慮在汽車中使用鋰電池時(shí)，應(yīng)該研究分析串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和其他汽車類型的功率鏈路方框圖。幸運(yùn)的是，鋰電池組對(duì)于所有的汽車而言大致相同。構(gòu)件是一個(gè)由100至200個(gè)2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接電池構(gòu)成的電池組。這種直流電源可驅(qū)動(dòng)一部30kW~70kW電動(dòng)機(jī)。電池組的總電壓很高，所以對(duì)于一個(gè)給定的功率級(jí)，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細(xì)，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應(yīng)提供200A電流，并可迅速地完成再充電。換句話說(shuō)，電池必需具備優(yōu)良的功率密度和上佳的能量密度。大型系統(tǒng)(例如：公共汽車和牽引拖車)采用多達(dá)4個(gè)640V并聯(lián)電池組。

鋰電池組的設(shè)計(jì)問(wèn)題是平衡性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性。兩個(gè)關(guān)鍵的變量是電池組電池設(shè)計(jì)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(gè)使用壽命達(dá)10年的電池組(在此期間無(wú)須購(gòu)買(mǎi)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(biāo)，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(shí)現(xiàn)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(fā)生快速氧化事件(即：著火)的幾率必須低于汽油動(dòng)力車。

傳統(tǒng)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(dāng)隔離材料失效時(shí)往往容易發(fā)生熱失控現(xiàn)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(wěn)定的熱性能。它們的棱柱形狀結(jié)構(gòu)具有低ESR(等效串聯(lián)電阻)以支持高電流。它們的儲(chǔ)能比筆記本電腦的鋰鈷電池少，但仍然優(yōu)于鎳氫電池，而且，如果能夠仔細(xì)地監(jiān)視其充電和放電水平，則其使用壽命可達(dá)10~15年。

電池的“電荷狀態(tài)”(StateofCharge)

如今，電池監(jiān)視系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)揮作用了，原因是它們能夠監(jiān)視電池的電荷狀態(tài)，而這反過(guò)來(lái)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(tài)，就能夠從每個(gè)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(zhǎng)這些電池的使用壽命。在筆記本電腦中，可通過(guò)監(jiān)視電池電壓并計(jì)算流入和流出電池組(含有4至8個(gè)電池)的電荷量來(lái)完成此項(xiàng)任務(wù)。電壓、電流、電荷、溫度和某些數(shù)學(xué)算式能夠很好地指示電池的電荷狀態(tài)。不幸的是，由于電池驅(qū)動(dòng)的是一部電動(dòng)機(jī)，而不是一塊母板，所以無(wú)法在汽車中計(jì)算電荷量。電流尖峰為200A，而在這些尖峰之后是低電平空轉(zhuǎn)。

您還擁有96~200個(gè)串接電池，分成10或12個(gè)組。這些電池的老化速度不一，來(lái)自多個(gè)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(nèi)的電池監(jiān)視系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注電池電壓。必須準(zhǔn)確地測(cè)量每節(jié)電池的電壓，然后采用電流和溫度測(cè)量來(lái)調(diào)整讀數(shù)(針對(duì)ESR和容量變化)。保存每個(gè)電池電荷水平的運(yùn)行估計(jì)值。如果某些電池過(guò)充電，而其他的電池欠充電，則必須通過(guò)放電(即被動(dòng)地平衡電荷)來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)電池中的電荷水平；另一種方法則是重新分配電荷(即主動(dòng)地平衡電荷)。當(dāng)電池達(dá)到最低電荷狀態(tài)時(shí)，您就會(huì)發(fā)覺(jué)沒(méi)電了。

您必需弄清楚如何準(zhǔn)確地測(cè)量電壓。以在-20ºC至+85ºC的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1%的電荷狀態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度作為起始目標(biāo)。圖1示出了普通鋰離子電池的典型電荷與電壓特性的關(guān)系曲線。不過(guò)，需要牢記的是：這些數(shù)據(jù)會(huì)因電池制造商和化學(xué)組成的不同而存在相當(dāng)大的差異。在30%~70%的電荷狀態(tài)范圍內(nèi)，電池電壓的變化幅度約為200mV(即：每個(gè)百分點(diǎn)變化5mV)。0V至5V的測(cè)量范圍要求0.1%的總測(cè)量準(zhǔn)確度。將該數(shù)字變換為數(shù)據(jù)采集規(guī)格需要一個(gè)具1LSB(最低有效位)或0.02%INL(積分非線性)的12位ADC和一個(gè)具0.05%初始準(zhǔn)確度和5ppm/ºC漂移(即：對(duì)于40ºC的溫度變化為0.02%)的電壓基準(zhǔn)。

　　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(guān)系曲線(a)。同一個(gè)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(guān)系曲線(b)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還必須抑制開(kāi)關(guān)噪聲和高共模電壓。圖2示出了電池組輸出的仿真結(jié)果(當(dāng)存在來(lái)自一個(gè)為電動(dòng)機(jī)供電的10kHz負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器的尖峰時(shí))。把瞬變均等地散布于100個(gè)電池之上意味著頂端的電池具有一個(gè)370V的共模電壓、100V的共模瞬態(tài)電壓、1V的差分瞬態(tài)電壓和一個(gè)3.7VDC值。必需以5mV的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)量該3.7VDC值。

圖2：該仿真結(jié)果示出了當(dāng)存在來(lái)自一個(gè)為電動(dòng)機(jī)供電的10kHz負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器的尖峰時(shí)的電池組輸出。

大多數(shù)電池監(jiān)視系統(tǒng)均采用模組化構(gòu)造的市售部件的組合。圖3示出了監(jiān)視一個(gè)內(nèi)含36個(gè)電池(分為3組，每組12個(gè)電池)的電池組之方法。含有12個(gè)電池的模組負(fù)責(zé)提供至模擬電子線路的一個(gè)局部電源和地。通過(guò)把電池組分成幾個(gè)小組，模擬電路將“承受”一個(gè)較小的共模電壓。圖4示出了分立型模擬電子線路實(shí)例。LT1991差分放大器可抑制共模電壓，并對(duì)每個(gè)電池兩端的差分電壓進(jìn)行緩沖。差分放大器的輸出是參考于LT1461的電池電壓。這12個(gè)信號(hào)被連接至一個(gè)16通道、24位ΔΣADCLTC2449的輸入多工器。LT1461-2.5負(fù)責(zé)提供2.5V電壓基準(zhǔn)。MOSFET開(kāi)關(guān)用于防止在ADC處于睡眠模式時(shí)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(zhǔn)電壓誤差組合起來(lái)，產(chǎn)生了一個(gè)0.3%的最壞情況誤差。ADC誤差可忽略不計(jì)。在室溫條件下進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可消除約90%的誤差。

　　圖3：您能夠監(jiān)視一個(gè)內(nèi)含36個(gè)電池的典型電池組(分3組，各含12個(gè)電池)。含有12個(gè)電池的模組負(fù)責(zé)提供至模擬電子線路的一個(gè)局部電源和地。通過(guò)把電池組分成幾個(gè)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(jiǎn)化電壓測(cè)量電路中，電池電壓信號(hào)被連接至一個(gè)16通道、24位ΔΣADCLTC2449的輸入多工器。ADC誤差可忽略不計(jì)，而且，在室溫條件下進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可消除約90%的誤差。

圖4示出的只是一個(gè)簡(jiǎn)化的電壓測(cè)量電路。完整的電池監(jiān)視系統(tǒng)還需要電池平衡、數(shù)據(jù)通信和自測(cè)試功能，這將使原理圖大為復(fù)雜。高元件數(shù)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(cè)量設(shè)計(jì)方案，它利用一個(gè)IC實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)功能的集成。輸入多工器能夠承受60V的共模電壓。采用開(kāi)關(guān)電容器采樣方法可消除大多數(shù)分立型設(shè)計(jì)所面對(duì)的CMRR限制。ΔΣADC從本質(zhì)上說(shuō)是理想的，誤差預(yù)算中的唯一事項(xiàng)就是基準(zhǔn)電壓。在未進(jìn)行校準(zhǔn)的情況下，LTC6802實(shí)現(xiàn)了0.12%(在室溫條件下)和0.22%(在-40ºC至+85ºC的溫度范圍內(nèi))的準(zhǔn)確度。室溫誤差的最初出廠校準(zhǔn)可將總誤差減小至0.1%(在整個(gè)溫度范圍內(nèi))。如欲獲得更高的準(zhǔn)確度，可以增添一個(gè)低漂移外部基準(zhǔn)(圖6)。定期測(cè)量LT1461的輸出并使用該信息來(lái)調(diào)節(jié)電池測(cè)量，再加上初始校準(zhǔn)，能夠?qū)⒄`差減小至0.03%，這是ADC在-20ºC至70ºC范圍內(nèi)的噪聲層。

圖5：在一種簡(jiǎn)化的電池測(cè)量設(shè)計(jì)方案中，由一個(gè)IC集成了大部分功能

　　圖6：如欲獲得更高的準(zhǔn)確度，可以增添一個(gè)低漂移外部基準(zhǔn)。定期測(cè)量LT1461的輸出并使用該信息來(lái)調(diào)節(jié)電池測(cè)量，再加上初始校準(zhǔn)，能夠?qū)⒄`差減小至0.03%，這是ADC在-20ºC至70ºC范圍內(nèi)的噪聲層。

在迄今為止介紹的方法中，由ΔΣADC來(lái)執(zhí)行測(cè)量。SAR(逐次逼近寄存器)型轉(zhuǎn)換器在12位系統(tǒng)中提供了一個(gè)較快的采樣速率，而在一個(gè)具100個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這似乎是必不可少的。然而，汽車內(nèi)嚴(yán)酷的噪聲環(huán)境要求進(jìn)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(duì)于一個(gè)給定的10kHz抑制量，一個(gè)1kspsΔΣADC等效于一個(gè)1MspsSARADC(圖7)。LTC6802多工器和1kspsADC在10ms的時(shí)間里完成10個(gè)輸入通道的排序。該ADC的內(nèi)置線性相位數(shù)字濾波器對(duì)10kHz開(kāi)關(guān)噪聲提供了36dB的抑制。具一個(gè)單極點(diǎn)輸入濾波器的1MspsSAR轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)160Hz的RC轉(zhuǎn)折頻率，旨在獲取相同的10kHz噪聲抑制。RC濾波器的12位穩(wěn)定時(shí)間為8.4ms。SAR能夠在10μs的時(shí)間里完成10個(gè)通道的排序，但是，由于濾波器響應(yīng)的原因，每8.4ms進(jìn)行一次以上的掃描是徒勞無(wú)益的。

圖7：對(duì)于一個(gè)給定的10kHz抑制量，一個(gè)1kspsΔΣADC(a)等效于一個(gè)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(cè)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(zhǔn)確度。而且，雖然兩種系統(tǒng)擁有相同的10kHz抑制量，但這種濾波器對(duì)較高次諧波的抑制量明顯大于簡(jiǎn)單的RC濾波器�；�于ΔΣADC的系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度，這是因?yàn)檩斎攵喙て鞯墓ぷ魉俣缺萐AR低1000倍，從而消除了串?dāng)_、共模抑制和穩(wěn)定時(shí)間誤差。SAR僅有的優(yōu)勢(shì)是10個(gè)測(cè)量幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，而ΔΣ測(cè)量則是順序進(jìn)行的，因而在軟件中產(chǎn)生了少量的額外開(kāi)銷(用于計(jì)算電池阻抗)。

為了完成電池電荷狀態(tài)的計(jì)算，需要測(cè)量溫度和電流。溫度相對(duì)容易測(cè)量，因?yàn)樗�的變化速度慢，不�?huì)受到電動(dòng)機(jī)噪聲的干擾，而且與高電壓進(jìn)行了電氣性能的隔離。唯一的問(wèn)題是采用多少個(gè)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(gè)電池采用了一個(gè)溫度傳感器。其他的電池組設(shè)計(jì)采用由12個(gè)棱柱形電池構(gòu)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(gè)或兩個(gè)溫度探頭就足夠了。最經(jīng)濟(jì)的測(cè)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(shè)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(yù)算包括基準(zhǔn)電壓的1%絕對(duì)值、電阻器和熱敏電阻的1%至5%容差、熱敏電阻B常數(shù)的1%至3%可變性(單位：Ω/ºC)以及探頭和電池內(nèi)部之間的溫差。未校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度約為5%。在室溫條件下對(duì)初始容差進(jìn)行校準(zhǔn)將只剩下B常數(shù)偏差。從圖1可知，溫度讀數(shù)中的每個(gè)4%誤差將轉(zhuǎn)化為一個(gè)1%的電池電荷狀態(tài)估計(jì)誤差。

最后測(cè)量的物理量是電流，它很重要，原因有二。首先，放電速率會(huì)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(guān)聯(lián)將提供一個(gè)用于測(cè)量電池內(nèi)部電阻的量度。您可以運(yùn)用自己掌握的電阻知識(shí)來(lái)改進(jìn)電池電荷狀態(tài)的計(jì)算。電阻也是反映電池平均壽命的主要指標(biāo)。由于每個(gè)電池都是串接的，因此電流是電池組中的一種單點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量應(yīng)該是雙向的，并具有一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍。圖8示出了一種常用的方法。

圖8：由于每個(gè)電池都是串接的，因此電流是電池組中的一種單點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量應(yīng)該是雙向的，并具有一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍。在這種常用方法中，LEMDHAB14s84包含兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和一個(gè)ASIC，用于對(duì)與5V電源成比例的輸出進(jìn)行線性化處理。

LEMDHAB14s84包含兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器和一個(gè)ASIC，用于對(duì)輸出進(jìn)行線性化處理。輸出與5V電源成比例。一個(gè)通道具有±30A的范圍，而另一個(gè)通道則具有-150A至+350A的范圍。這兩個(gè)通道均具有約10位的分辨率。將兩個(gè)通道組合起來(lái)，可提供一個(gè)30mA至350A的總動(dòng)態(tài)范圍。應(yīng)當(dāng)對(duì)電流傳感器輸出的濾波處理進(jìn)行修整，以實(shí)現(xiàn)電池電壓濾波的匹配以及電流和電壓測(cè)量的同步。

電池平衡

當(dāng)任何一個(gè)電池達(dá)到其最大或最小容許電荷狀態(tài)時(shí)，100個(gè)串接電池的充電/放電操作必須停止。于是，一個(gè)電池組的效能實(shí)際上僅與其最弱的一節(jié)電池相當(dāng)。如果一節(jié)“弱”電池在充電和放電期間接收了與一節(jié)“強(qiáng)”電池相同的電荷量，則它將使用其更多的可用容量，這反過(guò)來(lái)使它變得更弱。隨著時(shí)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(gè)電池過(guò)早地?zé)o法繼續(xù)充電而導(dǎo)致不得不更換整個(gè)電池組(內(nèi)含100個(gè)電池)，那將是很令人遺憾的。如果電池監(jiān)視系統(tǒng)能夠調(diào)整每個(gè)電池中的電荷水平，則可從電池組獲得更多的能量和更長(zhǎng)的使用壽命。在EV和HEV中，電池平衡是一項(xiàng)至關(guān)重要的功能。

小容量電池組往往采用一種簡(jiǎn)單的被動(dòng)平衡方法，旨在最大限度地降低成本。當(dāng)某個(gè)電池的電荷狀態(tài)超過(guò)其鄰近的電池時(shí)，這種方法將在其兩端布設(shè)一個(gè)放電電阻器。被動(dòng)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(guò)，被動(dòng)平衡延長(zhǎng)了電池組的壽命，而且是客用HEV中的標(biāo)準(zhǔn)電池平衡方法。放電電流的變化范圍為10mA至1A，最常見(jiàn)的是100mA至200mA。

EV采用較大容量的電池組，在這里使用被動(dòng)平衡會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的熱量。而且，EV制造商還很關(guān)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(gè)大型電池組。考慮到汽車的費(fèi)用(一輛公共汽車的造價(jià)約為48萬(wàn)美元，而一輛Prius混合動(dòng)力車的價(jià)格則在兩萬(wàn)三美元左右)，對(duì)于電子部件的成本壓力較小。在這些場(chǎng)合中，采用更加精巧完善的主動(dòng)平衡法是有意義的。

主動(dòng)平衡意味著電荷在電池之間往返運(yùn)動(dòng)，且最終不會(huì)作為熱量而被浪費(fèi)掉。這種方法需要一個(gè)用于電荷轉(zhuǎn)移的存儲(chǔ)元件。目前，工程師們正在發(fā)布和取得有關(guān)此類采用電容器、電感器或變壓器的方案的專利(參考文獻(xiàn)1和圖9)。電容器在兩個(gè)相鄰的電池之間連續(xù)切換。電流將流動(dòng)，以使這兩個(gè)電池的電壓(因而包括其電荷狀態(tài))相等。通過(guò)采用一組開(kāi)關(guān)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(diǎn)是需要采用大量的低電阻開(kāi)關(guān)，并產(chǎn)生用于控制開(kāi)關(guān)的信號(hào)。而一個(gè)優(yōu)點(diǎn)則是無(wú)需使用軟件。只要開(kāi)關(guān)時(shí)鐘處于運(yùn)行狀態(tài)，電路就將在后臺(tái)連續(xù)地對(duì)電池進(jìn)行平衡。一種基于變壓器的方案可在單個(gè)電池和一組電池之間轉(zhuǎn)移電荷(參考文獻(xiàn)2和圖10)。該方案需要電池電荷狀態(tài)信息，以從6個(gè)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(gè)在兩個(gè)相鄰電池之間連續(xù)切換的電容器。電流將流動(dòng)，以使兩個(gè)電池的電壓(因而包括其電荷狀態(tài))相等。主動(dòng)平衡使電荷在電池之間往返運(yùn)動(dòng)，而且不會(huì)變成熱量而被浪費(fèi)掉。它需要一個(gè)用于電荷轉(zhuǎn)移的存儲(chǔ)元件。

圖10：在另一種主動(dòng)平衡方案中，一個(gè)變壓器負(fù)責(zé)在單個(gè)電池和一組電池之間轉(zhuǎn)移電荷。電池電荷狀態(tài)信息被用來(lái)從6個(gè)電池的電池組選擇需要充電和放電的電池。

簡(jiǎn)化模擬電路導(dǎo)致了數(shù)字電路的復(fù)雜化

把一個(gè)含有100個(gè)電池的電池組分成若干個(gè)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(xiàng)任務(wù)，即：在地電位中的差異超過(guò)300V時(shí)將數(shù)據(jù)從測(cè)量IC傳輸至主控制器。最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ窃诿總�(gè)模組和主控制器之間采用一個(gè)數(shù)字隔離器(參考文獻(xiàn)3)。然而，數(shù)字隔離器價(jià)格昂貴，而且需要一個(gè)隔離型電源，這樣電池組電池就不必為隔離器的電池側(cè)供電。

LTC6802集成了一個(gè)可進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接的SPI，而且這種方法免除了增設(shè)數(shù)字隔離器的需要(圖11)。該接口利用了這樣一個(gè)事實(shí)，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(shù)據(jù)。與模擬電路一樣，模組化方法意味著數(shù)據(jù)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(diǎn)是：如果在一個(gè)模組中發(fā)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(lián)系。此外，由于在模組之間沒(méi)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(xiàn)的大電壓。LTC6802接口依靠外部分立二極管來(lái)隔離故障情況下的反向電壓。

圖11：LTC6802集成了一個(gè)可進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接的SPI，并免除了數(shù)字隔離器。

使監(jiān)視器堅(jiān)固

汽車制造商必須滿足極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，這與其產(chǎn)品所使用的電源無(wú)關(guān)。電池組的組裝和電池組的故障檢測(cè)要求均給電池監(jiān)視系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。電池組電池通過(guò)一根連接件連接至電池組的監(jiān)視和平衡電子線路。在電池組的組裝過(guò)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(hù)二極管和電阻器。圖12示出了布設(shè)在連接件和LTC6802監(jiān)視IC之間的元件實(shí)例(參考文獻(xiàn)4)。元件Q1、R1和R2負(fù)責(zé)提供被動(dòng)電池平衡。LTC6802的S(N)輸出用于控制這些元件。元件R3和C1構(gòu)成了一個(gè)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(hù)作用。D1是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的6.2V、500mW齊納二極管，當(dāng)觸點(diǎn)在電池連接工藝中相連時(shí)，它將自動(dòng)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(lái)自電池的漏電流，但同時(shí)又低至足以保護(hù)IC。D2負(fù)責(zé)保護(hù)平衡MOSFETQ1的柵極。R4用于在D2被強(qiáng)制接通的情況下保護(hù)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(jiān)視系統(tǒng)必須滿足這樣的要求：任何“失效電池”讀數(shù)都不會(huì)被錯(cuò)誤地解釋為“良好電池”讀數(shù)。兩種更常見(jiàn)有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)的故障是開(kāi)路和IC失效。如果在連接件中存在開(kāi)路，且如果在ADC輸入端上布設(shè)了一個(gè)濾波電容器，則該電容器往往會(huì)把輸入電壓保持在介乎相鄰電池電壓之間的某個(gè)點(diǎn)上。需要某種類型的導(dǎo)線開(kāi)路檢測(cè)或電池電阻測(cè)量功能。一種方法是短暫地接通被動(dòng)平衡電路。如果電池連接開(kāi)路，則測(cè)得的電壓將是0V。一種類似的方法是間或地從監(jiān)視電路給電池加載DC電流，以觀察電池電壓讀數(shù)是否發(fā)生變化。LTC6802具有針對(duì)該用途的可選直流負(fù)載(圖13)。

圖13：為了確保任何“失效電池”讀數(shù)都不會(huì)被錯(cuò)誤地解釋為“良好電池”讀數(shù)，必需進(jìn)行某種類型的導(dǎo)線開(kāi)路檢測(cè)(例如：短暫地接通被動(dòng)平衡電路)。如果電池連接開(kāi)路，則測(cè)得的電壓將是0V。

電池組中另一個(gè)普遍的擔(dān)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(zhí)行診斷操作。如果這些周期性的自測(cè)試出現(xiàn)故障，則控制算法存在疑點(diǎn)，而且必須使電池組離線。例如：如果ADC中的基準(zhǔn)改變數(shù)值，則讀數(shù)無(wú)效。保證電壓測(cè)量準(zhǔn)確度的唯一方法是定期測(cè)量第二個(gè)獨(dú)立基準(zhǔn)(圖6)。另一個(gè)例子是ADC數(shù)字部分中的故障。必須擁有足夠的支持電路或內(nèi)置測(cè)試模式，以確保ADC能夠在其整個(gè)輸入范圍內(nèi)正常運(yùn)作。

為了限制使電池組離線的可能性，大多數(shù)電池監(jiān)視電路都具有堅(jiān)固的自測(cè)試和冗余測(cè)量硬件。如果主監(jiān)視電路未能進(jìn)行定期自測(cè)試，則冗余電路的存在將為用戶的設(shè)備提供有效測(cè)量，直至技術(shù)人員解決相關(guān)問(wèn)題為止。冗余的等級(jí)是一個(gè)日益受到電池監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和汽車供應(yīng)商廣泛關(guān)注的話題。

可以預(yù)計(jì)，基于鋰離子電池和鋰聚合物電池的工業(yè)電池將會(huì)不斷地發(fā)展，它們將憑借出色的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命而使汽車性能得以改善。電池管理系統(tǒng)將隨著IC的發(fā)展而不斷取得進(jìn)步，從而以較低的系統(tǒng)成本來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的集成度和準(zhǔn)確度。