直线窜升的能源价格以及对二氧化碳排放问题的日益担忧导致人们对电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)给予了高度的关注。为了造就高效型EV和HEV，新型锂电池设计将是关键性的技术。
为了从锂电池获取尽可能多的能量和尽可能长的使用寿命，需要采用一些精细复杂的电子元器件。例如：测量由100个串接电池组成的电池组中每个3.7V电池两端电压的能力便是要求之一。如何应付370V的共模电压并抑制100V的共模开关瞬态电压?面向电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)和不间断电源(UPS)应用的电池管理系统设计必需解决许多此类问题。
电池是如何使汽车成为“绿色产品”的?而对于锂电池为什么存在如此大的异议?首先，根据CaliforniaCarsIniTIative(www.calcars.org)提供的数据，汽车的电力运行成本相当于支付每加仑汽油75美分的油价。因此，纯电动汽车具有很低的日常运作成本。其次，如果驾驶里程超过100英里，那么仍然需要采用一部汽油发动机，而电池则可使汽油所行驶的里程得以延长。请考虑一下，汽车的能量贮存能力是其行驶距离的限制因素。当采用一个大型锂电池组时，您可以在一个8小时的充电周期之后行驶100英里。每公斤汽油的贮能是锂离子电池的80倍，而且只需几分钟时间便可将一辆汽车的油箱加满。然后，带上足够的咖啡，您就能够一直开下去。然而，内燃机的峰值效率仅为30%，而且在每分钟高转速条件下的平均效率约为12%。采用电池来提供转矩(在加速期间)并恢复能量(在刹车过程中)意味着燃气发动机的运行频度较低，而且效率较高，从而实际上使每加仑汽油所行驶的里程实现翻番。
给汽车添加电池的第三个原因是为了减少尾气排放。耗用一加仑汽油将产生9kg的二氧化碳。清洁能源(比如：风能)可转换为电能，且不会产生二氧化碳排放物。因此，电池对于改善里程成本和减低每英里二氧化碳排放量起着举足轻重的作用。电池的能量存储密度越高，则其效能就越高。当今的2009年度车型采用的是镍氢电池。换成锂离子电池将使能量存储密度提高150%。而到2012年，届时大多数混合动力轿车和货车都将采用锂电池技术。
汽车如何采用锂电池
当考虑在汽车中使用锂电池时，应该研究分析串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、纯电动汽车和其他汽车类型的功率链路方框图。幸运的是，锂电池组对于所有的汽车而言大致相同。构件是一个由100至200个2.5V~3.9V、4Ahr~40Ahr串接电池构成的电池组。这种直流电源可驱动一部30kW~70kW电动机。电池组的总电压很高，所以对于一个给定的功率级，平均电流很低。较低的电流所需的电缆较细，重量较轻，成本较低。在峰值条件下，该电池组应提供200A电流，并可迅速地完成再充电。换句话说，电池必需具备优良的功率密度和上佳的能量密度。大型系统(例如：公共汽车和牵引拖车)采用多达4个640V并联电池组。
锂电池组的设计问题是平衡性能、经济性和安全性。两个关键的变量是电池组电池设计和电池管理电子线路。比如：您希望制作一部每充电一次便可行驶100英里的EV，而采用的是一个使用寿命达10年的电池组(在此期间无须购买或租用新的电池组)。为了满足10年(3650次充电)的电池寿命目标，只能使用电池容量的一部分(比如：40%)。为了最大限度地降低汽车成本，您希望采用最轻的电池，而电池是电池组中最昂贵的部件。为了实现性能的最大化，电池必须处理200A的峰值充电和放电电流。最重要的是，发生快速氧化事件(即：着火)的几率必须低于汽油动力车。
传统的锂钴电池(比如笔记本电脑中所采用的那些电池)虽然具有很高的能量密度，但当隔离材料失效时往往容易发生热失控现象。制造商们将新型锂电池基于磷酸铁锂电池、锂锰电池和钛酸锂电池，即使在其封装被刺穿的情况下它们也能保持稳定的热性能。它们的棱柱形状结构具有低ESR(等效串联电阻)以支持高电流。它们的储能比笔记本电脑的锂钴电池少，但仍然优于镍氢电池，而且，如果能够仔细地监视其充电和放电水平，则其使用寿命可达10~15年。
电池的“电荷状态”(StateofCharge)
如今，电池监视系统开始发挥作用了，原因是它们能够监视电池的电荷状态，而这反过来又决定了电池的成本和性能。如果您了解了电池的电荷状态，就能够从每个电池获得更多的可用容量、使用较少的电池、并最大限度地延长这些电池的使用寿命。在笔记本电脑中，可通过监视电池电压并计算流入和流出电池组(含有4至8个电池)的电荷量来完成此项任务。电压、电流、电荷、温度和某些数学算式能够很好地指示电池的电荷状态。不幸的是，由于电池驱动的是一部电动机，而不是一块母板，所以无法在汽车中计算电荷量。电流尖峰为200A，而在这些尖峰之后是低电平空转。
您还拥有96~200个串接电池，分成10或12个组。这些电池的老化速度不一，来自多个批次，而且温度不同。这些因素意味着它们具有不同的容量，而电荷量相同的电池有可能具有不同的电荷水平。为此，汽车内的电池监视系统重点关注电池电压。必须准确地测量每节电池的电压，然后采用电流和温度测量来调整读数(针对ESR和容量变化)。保存每个电池电荷水平的运行估计值。如果某些电池过充电，而其他的电池欠充电，则必须通过放电(即被动地平衡电荷)来调节每个电池中的电荷水平；另一种方法则是重新分配电荷(即主动地平衡电荷)。当电池达到最低电荷状态时，您就会发觉没电了。
您必需弄清楚如何准确地测量电压。以在-20ºC至+85ºC的温度范围内实现优于1%的电荷状态测量准确度作为起始目标。图1示出了普通锂离子电池的典型电荷与电压特性的关系曲线。不过，需要牢记的是：这些数据会因电池制造商和化学组成的不同而存在相当大的差异。在30%~70%的电荷状态范围内，电池电压的变化幅度约为200mV(即：每个百分点变化5mV)。0V至5V的测量范围要求0.1%的总测量准确度。将该数字变换为数据采集规格需要一个具1LSB(最低有效位)或0.02%INL(积分非线性)的12位ADC和一个具0.05%初始准确度和5ppm/ºC漂移(即：对于40ºC的温度变化为0.02%)的电压基准。
图1：典型5A-hr锂离子电池在不同放电速率条件下电荷与电压特性的关系曲线(a)。同一个电池在不同温度条件下(在5A放电期间)的电荷与电压特性的关系曲线(b)。
数据采集系统还必须抑制开关噪声和高共模电压。图2示出了电池组输出的仿真结果(当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时)。把瞬变均等地散布于100个电池之上意味着顶端的电池具有一个370V的共模电压、100V的共模瞬态电压、1V的差分瞬态电压和一个3.7VDC值。必需以5mV的准确度来测量该3.7VDC值。
图2：该仿真结果示出了当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时的电池组输出。
大多数电池监视系统均采用模组化构造的市售部件的组合。图3示出了监视一个内含36个电池(分为3组，每组12个电池)的电池组之方法。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将“承受”一个较小的共模电压。图4示出了分立型模拟电子线路实例。LT1991差分放大器可抑制共模电压，并对每个电池两端的差分电压进行缓冲。差分放大器的输出是参考于LT1461的电池电压。这12个信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。LT1461-2.5负责提供2.5V电压基准。MOSFET开关用于防止在ADC处于睡眠模式时从电池吸收电流。差分放大器的75dBCMRR(共模抑制比)、0.04%的差分放大器增益误差和0.04%的基准电压误差组合起来，产生了一个0.3%的最坏情况误差。ADC误差可忽略不计。在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差。
图3：您能够监视一个内含36个电池的典型电池组(分3组，各含12个电池)。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将承受小得多的共模电压。
图4：在用于分立模拟电子元件的简化电压测量电路中，电池电压信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。ADC误差可忽略不计，而且，在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差。
图4示出的只是一个简化的电压测量电路。完整的电池监视系统还需要电池平衡、数据通信和自测试功能，这将使原理图大为复杂。高元件数目使采用市售元件的做法既昂贵又不可靠。图5示出了一款相似的模组化电池测量设计方案，它利用一个IC实现了大多数功能的集成。输入多工器能够承受60V的共模电压。采用开关电容器采样方法可消除大多数分立型设计所面对的CMRR限制。ΔΣADC从本质上说是理想的，误差预算中的唯一事项就是基准电压。在未进行校准的情况下，LTC6802实现了0.12%(在室温条件下)和0.22%(在-40ºC至+85ºC的温度范围内)的准确度。室温误差的最初出厂校准可将总误差减小至0.1%(在整个温度范围内)。如欲获得更高的准确度，可以增添一个低漂移外部基准(图6)。定期测量LT1461的输出并使用该信息来调节电池测量，再加上初始校准，能够将误差减小至0.03%，这是ADC在-20ºC至70ºC范围内的噪声层。
图5：在一种简化的电池测量设计方案中，由一个IC集成了大部分功能
图6：如欲获得更高的准确度，可以增添一个低漂移外部基准。定期测量LT1461的输出并使用该信息来调节电池测量，再加上初始校准，能够将误差减小至0.03%，这是ADC在-20ºC至70ºC范围内的噪声层。
在迄今为止介绍的方法中，由ΔΣADC来执行测量。SAR(逐次逼近寄存器)型转换器在12位系统中提供了一个较快的采样速率，而在一个具100个通道的数据采集系统中，这似乎是必不可少的。然而，汽车内严酷的噪声环境要求进行大量的滤波处理。因此，滤波处理决定了有效吞吐量，而不是采样速率。对于一个给定的10kHz抑制量，一个1kspsΔΣADC等效于一个1MspsSARADC(图7)。LTC6802多工器和1kspsADC在10ms的时间里完成10个输入通道的排序。该ADC的内置线性相位数字滤波器对10kHz开关噪声提供了36dB的抑制。具一个单极点输入滤波器的1MspsSAR转换器需要一个160Hz的RC转折频率，旨在获取相同的10kHz噪声抑制。RC滤波器的12位稳定时间为8.4ms。SAR能够在10μs的时间里完成10个通道的排序，但是，由于滤波器响应的原因，每8.4ms进行一次以上的扫描是徒劳无益的。
图7：对于一个给定的10kHz抑制量，一个1kspsΔΣADC(a)等效于一个1MspsSARADC(b)。滤波处理决定了ADC的有效吞吐量，而不是采样速率(c)。
ΔΣADC和SARADC测量吞吐量是相等的，但存在着某些差异。ΔΣADC具有较大的噪声抑制量和出众的准确度。而且，虽然两种系统拥有相同的10kHz抑制量，但这种滤波器对较高次谐波的抑制量明显大于简单的RC滤波器。基于ΔΣADC的系统具有较高的准确度，这是因为输入多工器的工作速度比SAR低1000倍，从而消除了串扰、共模抑制和稳定时间误差。SAR仅有的优势是10个测量几乎是同时进行的，而ΔΣ测量则是顺序进行的，因而在软件中产生了少量的额外开销(用于计算电池阻抗)。
为了完成电池电荷状态的计算，需要测量温度和电流。温度相对容易测量，因为它的变化速度慢，不会受到电动机噪声的干扰，而且与高电压进行了电气性能的隔离。唯一的问题是采用多少个温度探头。由于在圆柱形电池之间存在未知的热梯度，因此有些锂离子电池组每个电池采用了一个温度传感器。其他的电池组设计采用由12个棱柱形电池构成的电池组(使用铝制外壳)。电池之间的低热阻意味着每组电池配置一个或两个温度探头就足够了。最经济的测量方案采取的是电池电压ADC重用的方法(图5)。热敏电阻被布设在电池之间。热敏电阻与100kΩ电阻器之间的电压多路传输至ADC之中。误差预算包括基准电压的1%绝对值、电阻器和热敏电阻的1%至5%容差、热敏电阻B常数的1%至3%可变性(单位：Ω/ºC)以及探头和电池内部之间的温差。未校准的准确度约为5%。在室温条件下对初始容差进行校准将只剩下B常数偏差。从图1可知，温度读数中的每个4%误差将转化为一个1%的电池电荷状态估计误差。
最后测量的物理量是电流，它很重要，原因有二。首先，放电速率会影响电池容量(图1)。其次，使电流中的变化与电池电压中的变化相互关联将提供一个用于测量电池内部电阻的量度。您可以运用自己掌握的电阻知识来改进电池电荷状态的计算。电阻也是反映电池平均寿命的主要指标。由于每个电池都是串接的，因此电流是电池组中的一种单点测量。测量应该是双向的，并具有一个宽动态范围。图8示出了一种常用的方法。
图8：由于每个电池都是串接的，因此电流是电池组中的一种单点测量。测量应该是双向的，并具有一个宽动态范围。在这种常用方法中，LEMDHAB14s84包含两个霍尔效应传感器和一个ASIC，用于对与5V电源成比例的输出进行线性化处理。
LEMDHAB14s84包含两个霍尔效应传感器和一个ASIC，用于对输出进行线性化处理。输出与5V电源成比例。一个通道具有±30A的范围，而另一个通道则具有-150A至+350A的范围。这两个通道均具有约10位的分辨率。将两个通道组合起来，可提供一个30mA至350A的总动态范围。应当对电流传感器输出的滤波处理进行修整，以实现电池电压滤波的匹配以及电流和电压测量的同步。
电池平衡
当任何一个电池达到其最大或最小容许电荷状态时，100个串接电池的充电/放电操作必须停止。于是，一个电池组的效能实际上仅与其最弱的一节电池相当。如果一节“弱”电池在充电和放电期间接收了与一节“强”电池相同的电荷量，则它将使用其更多的可用容量，这反过来使它变得更弱。随着时间的推移，在所有的电池中保持相同的容量水平有助于老化程度的一致性。如果仅是由于某个电池过早地无法继续充电而导致不得不更换整个电池组(内含100个电池)，那将是很令人遗憾的。如果电池监视系统能够调整每个电池中的电荷水平，则可从电池组获得更多的能量和更长的使用寿命。在EV和HEV中，电池平衡是一项至关重要的功能。
小容量电池组往往采用一种简单的被动平衡方法，旨在最大限度地降低成本。当某个电池的电荷状态超过其邻近的电池时，这种方法将在其两端布设一个放电电阻器。被动平衡并不增加一次充电之后的行驶距离，原因是这种方法消耗功率，而不是重新分配功率。不过，被动平衡延长了电池组的寿命，而且是客用HEV中的标准电池平衡方法。放电电流的变化范围为10mA至1A，最常见的是100mA至200mA。
EV采用较大容量的电池组，在这里使用被动平衡会产生相当多的热量。而且，EV制造商还很关心每次充电之后的行驶距离。商用HEV(例如：公共汽车和货车)则采用多个大型电池组。考虑到汽车的费用(一辆公共汽车的造价约为48万美元，而一辆Prius混合动力车的价格则在两万三美元左右)，对于电子部件的成本压力较小。在这些场合中，采用更加精巧完善的主动平衡法是有意义的。
主动平衡意味着电荷在电池之间往返运动，且最终不会作为热量而被浪费掉。这种方法需要一个用于电荷转移的存储元件。目前，工程师们正在发布和取得有关此类采用电容器、电感器或变压器的方案的专利(参考文献1和图9)。电容器在两个相邻的电池之间连续切换。电流将流动，以使这两个电池的电压(因而包括其电荷状态)相等。通过采用一组开关和电容器，往往能够使所有电池的电压相等。这种方法的缺点是需要采用大量的低电阻开关，并产生用于控制开关的信号。而一个优点则是无需使用软件。只要开关时钟处于运行状态，电路就将在后台连续地对电池进行平衡。一种基于变压器的方案可在单个电池和一组电池之间转移电荷(参考文献2和图10)。该方案需要电池电荷状态信息，以从6个电池的电池组选择需要充电和放电的电池。
图9：这种基于电容器的方案采用了一个在两个相邻电池之间连续切换的电容器。电流将流动，以使两个电池的电压(因而包括其电荷状态)相等。主动平衡使电荷在电池之间往返运动，而且不会变成热量而被浪费掉。它需要一个用于电荷转移的存储元件。
图10：在另一种主动平衡方案中，一个变压器负责在单个电池和一组电池之间转移电荷。电池电荷状态信息被用来从6个电池的电池组选择需要充电和放电的电池。
简化模拟电路导致了数字电路的复杂化
把一个含有100个电池的电池组分成若干个模组使得模拟电路的集成化变得更加容易。不幸的是，如果采用这种方法，就必需完成一项任务，即：在地电位中的差异超过300V时将数据从测量IC传输至主控制器。最直截了当的方法是在每个模组和主控制器之间采用一个数字隔离器(参考文献3)。然而，数字隔离器价格昂贵，而且需要一个隔离型电源，这样电池组电池就不必为隔离器的电池侧供电。
LTC6802集成了一个可进行菊链式连接的SPI，而且这种方法免除了增设数字隔离器的需要(图11)。该接口利用了这样一个事实，即：模组N的正电源具有与模组N+1的地相同的电压。它采用电流在相邻的模组之间传输数据。与模拟电路一样，模组化方法意味着数据总线必须处理总电池组电压的一部分。所有菊花链的共同缺点是：如果在一个模组中发生故障，则意味着它将失去与堆栈中所有位于其上方的模组通信联系。此外，由于在模组之间没有提供电气性能的隔离，因此该接口还必须处理故障条件下出现的大电压。LTC6802接口依靠外部分立二极管来隔离故障情况下的反向电压。
图11：LTC6802集成了一个可进行菊链式连接的SPI，并免除了数字隔离器。
使监视器坚固
汽车制造商必须满足极高的可靠性标准，这与其产品所使用的电源无关。电池组的组装和电池组的故障检测要求均给电池监视系统带来了挑战。电池组电池通过一根连接件连接至电池组的监视和平衡电子线路。在电池组的组装过程中，该连接件以任意顺序与电池接触。电子线路要想安全承受高电压、低阻抗电池组的热插拔，就必需采用保护二极管和电阻器。图12示出了布设在连接件和LTC6802监视IC之间的元件实例(参考文献4)。元件Q1、R1和R2负责提供被动电池平衡。LTC6802的S(N)输出用于控制这些元件。元件R3和C1构成了一个用于LTC6802ADC的抗混叠滤波器。二极管D1和D2以及电阻器R4用于提供保护作用。D1是一个标准的6.2V、500mW齐纳二极管，当触点在电池连接工艺中相连时，它将自动地在缺失输入端上分配安全的电压。该齐纳二极管的6.2V额定电压既高至足以最大限度地减小来自电池的漏电流，但同时又低至足以保护IC。D2负责保护平衡MOSFETQ1的栅极。R4用于在D2被强制接通的情况下保护S(N)输出。
图12：LTC6802中的引脚可平衡电池组电池。
在正常操作期间，电池监视系统必须满足这样的要求：任何“失效电池”读数都不会被错误地解释为“良好电池”读数。两种更常见有可能导致错误读数的故障是开路和IC失效。如果在连接件中存在开路，且如果在ADC输入端上布设了一个滤波电容器，则该电容器往往会把输入电压保持在介乎相邻电池电压之间的某个点上。需要某种类型的导线开路检测或电池电阻测量功能。一种方法是短暂地接通被动平衡电路。如果电池连接开路，则测得的电压将是0V。一种类似的方法是间或地从监视电路给电池加载DC电流，以观察电池电压读数是否发生变化。LTC6802具有针对该用途的可选直流负载(图13)。
图13：为了确保任何“失效电池”读数都不会被错误地解释为“良好电池”读数，必需进行某种类型的导线开路检测(例如：短暂地接通被动平衡电路)。如果电池连接开路，则测得的电压将是0V。
电池组中另一个普遍的担忧是IC具有某种未检出故障。在正常操作期间，主控制器必须要能够在所有的模组上执行诊断操作。如果这些周期性的自测试出现故障，则控制算法存在疑点，而且必须使电池组离线。例如：如果ADC中的基准改变数值，则读数无效。保证电压测量准确度的唯一方法是定期测量第二个独立基准(图6)。另一个例子是ADC数字部分中的故障。必须拥有足够的支持电路或内置测试模式，以确保ADC能够在其整个输入范围内正常运作。
为了限制使电池组离线的可能性，大多数电池监视电路都具有坚固的自测试和冗余测量硬件。如果主监视电路未能进行定期自测试，则冗余电路的存在将为用户的设备提供有效测量，直至技术人员解决相关问题为止。冗余的等级是一个日益受到电池监视系统设计师和汽车供应商广泛关注的话题。
可以预计，基于锂离子电池和锂聚合物电池的工业电池将会不断地发展，它们将凭借出色的能量密度、功率密度和循环寿命而使汽车性能得以改善。电池管理系统将随着IC的发展而不断取得进步，从而以较低的系统成本来实现更高的集成度和准确度。
