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典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端 (AFE) IC 執行艱難的測量每節電池電壓、電流和溫度的任務，并向控制電路傳遞數據。控制器運用電池數據計算電池組的電荷狀態和健康狀態。控制器可能命令前端 IC 給某些電池充電或放電，以在電池組內保持平衡的電荷狀態。


更高的準確度意味著更低的成本

模擬前端IC的測量準確度對系統成本有直接影響。需要準確的測量以實現有用的電荷狀態(SOC)計算。為了實現長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導致電池的成本顯著增大。給一個16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進SOC計算以實現1%的誤差意味著，每個電池組能節省約300歐元(385美元)。

電池電壓測量是SOC算法的關鍵要素。當測量3.3V LiFePO4(磷酸鐵鋰)電池時，IC電源和電池組開發人員都集中采用總測量誤差1mV的規格。

對于諸如售價480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設備，測量3.3V至1mV以內的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環境中連續工作15個年。只有為數不多的IC技術能夠實現這一目標。

真實世界中的準確度

什么樣的IC技術最適合電池測量呢?答案可從圖2(典型AFE IC的方框圖)的誤差分析獲得。12個串接電池之一由多路復用器(MUX)模塊來選擇。通過閉合“S”開關把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關，然后閉合“T”開關。電池兩端的電壓將轉移至ADC。這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數轉換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準進行比較，并產生一個與VCELL和VREF之比成比例的數字結果。

如果開關的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細致的開關電容器設計可消除這個誤差項。

由ADC進行從模擬到數字的轉換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細致的設計與組件微調相結合，可降低ADC引起的誤差。

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AFE IC的基本限制來自電壓基準

假如電壓基準下降了1%，則所有的讀數都將增加1%。電壓基準是由某種物理量產生的，可以是反向偏置PN結的雪崩擊穿(一個齊納基準)、兩個基極-發射極電壓之差(一個帶隙基準)、或一個電容器上存儲的電荷(一個EPROM基準)。每個AFE IC在生產中都進行了微調，以使電壓基準的初始值非常準確。不幸的是，視IC技術的不同而不同，電壓基準可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應力的不同而產生極大的變化。這導致一些IC廠商只提出“典型”準確度，而關于AFE IC在真實世界中會怎樣表現則未提供指導。

要在嚴酷的汽車環境中運行，最佳技術是齊納基準。數年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監視器IC運用齊納電壓基準技術，以保持優于所需的準確度。LTC6804比前一代產品有顯著改進，前一代產品依靠帶隙電壓基準。例如，考慮PCB組裝所產生的應力。AFE IC在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經受機械應力。帶隙基準的表現就像一個應變計，將機械應力轉換成基準電壓的變化。電壓基準任何變化都會直接降低電池測量的準確度。PCB組件應力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對10個AFE IC(3種類型)進行了測量。基準漂移以電池測量誤差(單位是mV)來表示(假設采用的是一個3.3V電池)。
  



濕度是另一個考慮因素。潮氣滲進塑料封裝，并改變機械應力。對應力敏感的基準會出現電壓變化。最后，還有長期漂移。在IC封裝組裝過程中，芯片會受到應力。這種應力隨著時間推移而緩慢釋放，導致基準產生變化。在運行數千小時以后，這種影響會減小，這就是長期漂移規定以ppm/√kHr為單位的原因。圖3顯示了3000小時以后所測得的漂移以及預計15年以后的漂移。

總之，提高電池測量準確度可提高性能。就真實世界應用的測量準確度而言，采用齊納電壓基準的 AFE IC是最佳技術，正如圖3中的產品比較所示。

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新的隔離式數據鏈實現模塊化電池組

電池組設計師受到激勵開發模塊化系統。16kW-hr的電池也許不便于放入汽車內的單個艙中。此外，為了經濟的適用性和保修，8,000歐元(10,235美元)的電池組可以分成小的模塊。而且，單個模塊化電池組設計可以擴大或縮小，以滿足很多不同汽車平臺的需求。

倘若把一個大型電池組拆分成若干個較小的模塊，則會使電氣連接的設計變得復雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數據需要一個線束。線束將遭受嚴重的電磁干擾(EMI)。必須仔細注意數據通信硬件和軟件。AFE IC領域的新發明可以極大地降低數據通信的成本，同時保護電池組免受EMI影響。

2012年生產具備模塊化電池組的汽車一般采用結合的CAN(控制器局域網)通信和數字隔離器，如圖4所示。CAN用兩條導線提供堅固的通信。一個小型微處理器(MPU)將數據從CAN協議轉換到AFE IC更簡單的SPI或I2C協議。模塊之間的隔離由一個數字隔離器IC提供，這有時需要一個隔離式電源。CAN收發器、MPU和隔離器IC合起來的成本大約為3.5歐元 (4.50美元)。


新的LTC6804 AFE IC消除了CAN的成本和軟件復雜性問題，同時在模塊之間提供堅固和隔離式兩線數據傳送。圖5顯示，用LTC6804的isoSPI端口與一個簡單的脈沖變壓器相結合，實現了電池模塊的互連。另一種凌力爾特IC是LTC6820隔離式SPI接口IC，將任何微處理器的SPI端口連接到isoSPI總線。來自微處理器的時鐘、數據和芯片選擇信號由LTC6820編碼成不同的脈沖。LTC6804將這些脈沖解碼回時鐘、數據和芯片選擇信號。微處理器將 LTC6804 AFE IC看作一個簡單的SPI外圍設備。透明的isoSPI總線提供電流隔離和抵抗EMI的能力。

isoSPI脈沖的信號強度和兩線連接的阻抗是可調的。通過改變電阻器的值(未顯示)，用戶可以提高信號電流。這種靈活性意味著，isoSPI總線可以定制以通過100米電纜通信并抑制高干擾電平。LTC6804 AFE IC包括15位循環冗余校驗(CRC)，以確保數據的完整性。圖6說明了大電流注入(BCI)測試的結果。BCI測量一個系統的抗電磁干擾性。RF能量通過夾在電纜的探頭注入。另一個探頭測量所產生的RF電流。數據包通過電纜發送，CRC用來查看是否有數據損壞。采用幾種不同的isoSPI數據脈沖強度來重復測試。20mA isoSPI數據脈沖不受200mA RF注入的影響。


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主動電荷平衡加速充電并增大能量

所有串聯連接電池都需要平衡。一節電池到另一節電池的自放電速率、電子負載和溫度都不同。經過多充電和放電周期后，這些差別導致電池電荷狀態出現不容忽視的不平衡。電荷不平衡會降低電池組容量。例如，如果一節電池的電量比其他電池多10%，這時給電池組加上充電電流，這節電池就會達到80%的充電狀態限制，而其他電池則充電到70%。電池組中的可用電量減少了10%。被動平衡通過一個負載電阻器消耗單節電池的電量，對于在串聯連接的電池組中平衡失配電池而言，這是成本最低和最簡單的方式。大多數AFE IC都支持被動平衡。

被動平衡能效低且速度慢。典型的平衡電流范圍為電池容量的1%至5%。要從一個40A-hr的電池消耗10%的電量，在I=400mA時需要10個小時，或者在I=2A時產生8W的熱量。很多電池都可能需要平衡。就大容量電池組而言，被動平衡器產生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動電荷平衡器是惟一可行的解決方案。

主動電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復容量。電池隨著老化容量會下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時間推移，電池會有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時被替換。在采用被動平衡方式時，電池組的容量由最薄弱的一節電池決定。平衡電池組并充電至80%。當最薄弱的電池達到20%時，電池組的放電就停止了。正確設計的主動電荷平衡系統將按照需要，高效率地在整個電池組中重新分配電荷，并基于平均容量的電池而不是最低容量的電池確保達到20%和80%狀態。為了最大限度地延長電池組的運行時間，在電池組的充電和放電過程中，都必須對電池加以平衡。

LTC3300和LT858等的新IC將在汽車電池組中實現主動電荷平衡。LTC3300(圖7)為滿足大型電池系統的雙向主動平衡需求而設計。


這采用了一種非隔離型同步反激式拓撲，一次最多可對12個或更多鄰接電池中的6個電池進行電荷平衡。平衡電流可能高達10A。通過將每個反激式變壓器副端交錯連接，電荷可從一個由12節電池組成的模塊傳送至一個模塊。實現非常高的傳送效率(>92%)，就典型的電池至電池失配情況而言，可以實現非常高的容量恢復(>80%)。LT3300可以通過LTC6804上的串行端口來控制。這兩個IC建立了準確和易于使用的電池監視器和平衡系統。

LT8584(圖8)單片反激式DC/DC轉換器用單向拓撲實現了主動平衡。這種單向方式有一個優勢，即從一個給定電池向整個電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓撲可能僅在放電方向移動電荷，因此對給定電池“充電”會比雙向方式效率低。集成的6A電源開關支持2.5A平均平衡電流。LT8584還可以測量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。T8584直接連接到LTC6804AFE IC，實現了又一個易于使用兩個IC來監視和平衡的方案。


新的IC提高性能并降低成本

LTC6804等測量IC提供有保證的測量準確度和長期穩定性，因此電池組可從每節電池抽取最多能量。sioSPI等簡單的隔離式兩線通信方案最大限度地降低了組件成本，并提供抗電磁干擾能力。LTC3300和LT8584主動電荷平衡IC加速充電，并最大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新IC是最先進和面向新一代 (混合)電動型汽車電池組的產品。

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