今日，用于电动汽车和混合动力电动汽车的电池技术已有长足进步，不仅在电池能量密度上已稳定地提高，电池也能可靠地进行充电和放电达数千次。如果设计者能有效利用这些进步，那么，就成本、可靠性和寿命而言，电动汽车和混合动力电动汽车便拥有与传统汽车匹敌的潜力。

电池的容量规格，是指电池从100％充电状态到零充电状态所提供的电量，由于充电至100％充电状态、或放电至零充电状态会迅速缩短电池寿命，因此电池应受到谨慎的管理，以避免完全充电或放电状态。与在30％到70％的充电状态（40％的容量）之间工作相比，在10％充电状态到90％充电状态之间工作（利用80％的规定容量），将能以3倍以上的系数减少总充电周期数。

若考虑上述40％周期与80％周期的情况，如果一个系统将电池限制为仅以40％周期，以使电池寿命延长3倍，那么电池尺寸必须增大一倍，方能实现与80％周期同样的可用容量，但由于电池系统的重量和体积都增大一倍，因此也相对将使成本升高，并降低效率。因此，要在有效电池容量和电池寿命之间取得平衡，带给了电池系统设计者高度挑战。

一般而言，汽车制造商会要求电池寿命需超过10年，而且他们也规定了所需的可用电池容量。对电池系统设计者的挑战是竭尽所能以最小的电池组实现最大的容量，而为了达到这个目标，电池系统必须以精密的电子电路仔细监控电池。

电动汽车电池组系统

电动汽车电池组由多个电池串联堆叠组成。一个典型的电池组大约包含96个电池，就充电到4.2V的锂离子电池而言，可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都会对整个电池组充电和放电，但是电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么，经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其余电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其余电池平衡，则其将进入深度放电状态，导致损坏，并最终形成电池组故障。为了防止这种情况发生，每个电池的电压都必须受到监控，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。

电池组监视系统的一个重要考虑因素是通讯介面。就PC板内的通讯而言，常用的选项包括串列周边介面（SPI）汇流排、I2C汇流排。每种汇流排都拥有低通讯开销，适合于低干扰环境。另一个选项是控制器区域网（CAN）汇流排，这种汇流排在汽车应用中已被广泛使用。 CAN汇流排非常坚固，具有误差检测和故障容限，但是它具备极高的通讯开销和材料成本。尽管从电池系统到汽车主CAN汇流排的连接是必需的，但在电池组内SPI或I2C通讯则是有利的。

凌力尔特已推出一款使电池系统设计者能够满足这些苛刻要求的元件。 LTC6802是一个电池组监视IC，能测量多达12个堆叠电池的电压。 LTC6802还具备内部开关，使电池可以单独放电，以使其与电池组中其余电池进入平衡状态。

以下透过一个具有96个锂离子电池的系统来说明电池组架构。此架构需要8个LTC6802来监视整个电池组，其中每个元件都以不同的电压工作。当采用4.2V锂离子电池时，底端监视元件将跨接在12个电池上，电位调节范围为0V至50.4V。下一组电池的电压范围为50.4V至100.8V，顺着电池组依此类推。在这些元件间以不同电压通讯带来了难以克服的挑战。现今，人们已采用许多方法试图克服，而根据汽车制造商优先考量的重点不同，每种方法都各有优缺点。

电池监视要求

在电池监视系统架构之间进行取决时，至少有5个需要平衡的主要要求。它们的相对重要性取决于最终客户的需求和期望。

准确性

为使电池容量达到最佳运用，须精准地进行电池监控。不过，因汽车是一种杂讯系统，在很大的频率范围内都会产生电磁干扰，任何精准度上的误差都会对电池组寿命和性能造成有害影响。

可靠性

不论采用何种电源，汽车制造商都必须满足极高的可靠性标准。此外，高能量容量以及有些电池技术潜在的不稳定本质，是人们担心的主要安全问题。相对于严重的电池故障而言，在保守性条件下执行关断操作的故障保险系统更加可取，尽管它有可能使乘客不幸滞留。因此，必须仔细监视和控制电池系统，以在系统中确保对整个电池寿命期的彻底控制。为了最大限度减少假性和真实的故障，一个良好设计的电池组系统必须有坚固的通讯、最大限度减少故障的模式、以及故障检测。

可制造性

现代的汽车已经包含了大量采用复杂布线的电子产品。就汽车制造而言，增加复杂的电子电路和绕线以支援电动汽车/混合动力电动汽车电池系统将提高复杂性。总元件和连接数量必须降至最低，以满足严格的尺寸和重量限制，并确保可供量产。

成本

复杂的电子控制系统可能很昂贵。将微控制器、介面控制器、电流隔离器、和晶体等成本相对高昂的元件数量降至最低，将可大幅降低系统总成本。

功率

电池监视器本身也是电池的负载。较低的工作电流可提高系统效率，较低的待机电流可在汽车熄火后防止电池过度放电。

电池监视架构

图一至四显示4种电池监视系统架构。表一假设一个由96个电池组成的系统，以12个电池为一组，共分成8组，在这种情况下可总结每种架构的优点和缺点。在各个情况下，将由一个LTC6802监视一个由12个电池组成的电池组。

每种架构都设计为一个自主的电池监视系统，并提供一个到汽车主CAN汇流排的CAN汇流排介面，而且与汽车的其余部分是电流隔离的。

并行独立CAN模组（图一）

每个由12个电池组成的模组都含有一个PC板，板上有一片LTC6802、一个微控制器、一个CAN介面和一个电流隔离变压器。系统所需的大量电池监视资料会压垮汽车的主CAN汇流排，因此这些CAN模组需要在区域CAN子网上。这个CAN子网由一个主控制器协调，该控制器还提供了至汽车主CAN汇流排的闸道。

《图一 并行独立CAN模块》

具CAN闸道的并行模组（图二）

每个由12个电池组成的模组都含有一个 PC 板，板上有一片 LTC6802 和一个数位隔离器。这些模组与控制器电路板以独立的介面连接，控制器电路板上含有一个微控制器、一个 CAN 介面和一个电流隔离变压器。微控制器协调这些模组并提供到汽车主 CAN 汇流排的闸道。

《图二 具CAN网关的并行模块》

具CAN闸道的单个监视模组（图三）

在这种配置中，由12个电池组成的模组内部没有监视和控制电路。取而代之的是，单个PC板上有8个LTC6802监视器IC，每个IC都连接到其电池模组。 LTC6802元件通过非隔离SPI相容串列介面通讯。单个微控制器通过SPI相容串列介面控制全部电池组监视器，它还是到汽车主CAN汇流排的闸道。再加上一个CAN收发器和一个电流隔离变压器，形成了完整的电池监视系统。

《图三 具CAN网关的单个监视模块》

具CAN闸道的串列模组（图四）

这种架构类似于单个监视模组，除了每个LTC6802都在由12个电池组成的模组内部的PC板上。这8个模组通过LTC6802非隔离SPI相容串列介面通讯，这需要在电池模组对之间连接3或4个传导电缆。单个微控制器通过底部监视器IC控制全部电池组监视器，同时兼作到汽车主CAN汇流排的闸道。此处仍然需要一个CAN收发器和一个电流隔离变压器，以形成完整的电池监视系统。

《图四 具CAN网关的串行模块》

电池监视架构选择

第一种和第二种架构由于平行介面需要大量连接和外部隔离，一般而言易产生问题。为了因应这个使复杂性升高的问题，设计者需要实现到每个监视器元件的独立通讯。第三种（具CAN闸道的单个监视模组）和第四种（具CAN闸道的串列模组）架构都是有最少限制的简化方法。 LTC6802可满足所有4种配置的需求，系统设计者可以选择LTC6802的两个变体，一个用于串列配置，一个用于并行配置。

LTC6802-1用于叠置式SPI介面配置。多个LTC6802-1元件可以通过一个介面串列连接，该介面无需外部移位或隔离器就可沿着电池组来回发送资料。 LTC6802-2允许单个元件用在并行架构中。两个变体具有同样的电池监视规格和功能。

电动汽车对电池组具有高度需求，汽车制造商更希望能以具经济效益的电池系统，来满足其严格的可靠性要求。凌力尔特最新的电池监控IC为系统设计者带来了最高弹性，使其可在不影响效能的情况下，选择最佳电池组架构。

---作者为Linear凌力尔特设计经理---