今日，用於電動汽車和混合動力電動汽車的電池技術已有長足進步，不僅在電池能量密度上已穩定地提高，電池也能可靠地進行充電和放電達數千次。如果設計者能有效利用這些進步，那麼，就成本、可靠性和壽命而言，電動汽車和混合動力電動汽車便擁有與傳統汽車匹敵的潛力。

電池的容量規格，是指電池從100％充電狀態到零充電狀態所提供的電量，由於充電至100％充電狀態、或放電至零充電狀態會迅速縮短電池壽命，因此電池應受到謹慎的管理，以避免完全充電或放電狀態。與在30％到70％的充電狀態（40％的容量）之間工作相比，在10％充電狀態到90％充電狀態之間工作（利用80％的規定容量），將能以3倍以上的係數減少總充電週期數。

若考慮上述40％週期與80％週期的情況，如果一個系統將電池限制為僅以40％週期，以使電池壽命延長3倍，那麼電池尺寸必須增大一倍，方能實現與80％週期同樣的可用容量，但由於電池系統的重量和體積都增大一倍，因此也相對將使成本升高，並降低效率。因此，要在有效電池容量和電池壽命之間取得平衡，帶給了電池系統設計者高度挑戰。

一般而言，汽車製造商會要求電池壽命需超過10年，而且他們也規定了所需的可用電池容量。對電池系統設計者的挑戰是竭盡所能以最小的電池組實現最大的容量，而為了達到這個目標，電池系統必須以精密的電子電路仔細監控電池。

電動汽車電池組系統

電動汽車電池組由多個電池串聯堆疊組成。一個典型的電池組大約包含96個電池，就充電到4.2V的鋰離子電池而言，可產生超過400V的總電壓。儘管汽車電源系統將電池組看作單個高壓電池，每次都會對整個電池組充電和放電，但是電池控制系統必須獨立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低於其他電池，那麼，經過多個充電/放電週期後，其充電狀態將逐漸偏離其餘電池。如果這個電池的充電狀態沒有週期性地與其餘電池平衡，則其將進入深度放電狀態，導致損壞，並最終形成電池組故障。為了防止這種情況發生，每個電池的電壓都必須受到監控，以確定充電狀態。此外，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態。

電池組監視系統的一個重要考慮因素是通訊介面。就PC板內的通訊而言，常用的選項包括串列週邊介面（SPI）匯流排、I2C匯流排。每種匯流排都擁有低通訊開銷，適合於低干擾環境。另一個選項是控制器區域網（CAN）匯流排，這種匯流排在汽車應用中已被廣泛使用。CAN匯流排非常堅固，具有誤差檢測和故障容限，但是它具備極高的通訊開銷和材料成本。儘管從電池系統到汽車主CAN匯流排的連接是必需的，但在電池組內SPI或I2C通訊則是有利的。

凌力爾特已推出一款使電池系統設計者能夠滿足這些苛刻要求的元件。LTC6802是一個電池組監視IC，能測量多達12個堆疊電池的電壓。LTC6802還具備內部開關，使電池可以單獨放電，以使其與電池組中其餘電池進入平衡狀態。

以下透過一個具有96個鋰離子電池的系統來說明電池組架構。此架構需要8個LTC6802來監視整個電池組，其中每個元件都以不同的電壓工作。當採用4.2V鋰離子電池時，底端監視元件將跨接在12個電池上，電位調節範圍為0V至50.4V。下一組電池的電壓範圍為50.4V至100.8V，順著電池組依此類推。在這些元件間以不同電壓通訊帶來了難以克服的挑戰。現今，人們已採用許多方法試圖克服，而根據汽車製造商優先考量的重點不同，每種方法都各有優缺點。

電池監視要求

在電池監視系統架構之間進行取決時，至少有5個需要平衡的主要要求。它們的相對重要性取決於最終客戶的需求和期望。

準確性

為使電池容量達到最佳運用，須精準地進行電池監控。不過，因汽車是一種雜訊系統，在很大的頻率範圍內都會產生電磁干擾，任何精準度上的誤差都會對電池組壽命和性能造成有害影響。

可靠性

不論採用何種電源，汽車製造商都必須滿足極高的可靠性標準。此外，高能量容量以及有些電池技術潛在的不穩定本質，是人們擔心的主要安全問題。相對於嚴重的電池故障而言，在保守性條件下執行關斷操作的故障保險系統更加可取，儘管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細監視和控制電池系統，以在系統中確保對整個電池壽命期的徹底控制。為了最大限度減少假性和真實的故障，一個良好設計的電池組系統必須有堅固的通訊、最大限度減少故障的模式、以及故障檢測。

可製造性

現代的汽車已經包含了大量採用複雜佈線的電子產品。就汽車製造而言，增加複雜的電子電路和繞線以支援電動汽車/混合動力電動汽車電池系統將提高複雜性。總元件和連接數量必須降至最低，以滿足嚴格的尺寸和重量限制，並確保可供量產。

成本

複雜的電子控制系統可能很昂貴。將微控制器、介面控制器、電流隔離器、和晶體等成本相對高昂的元件數量降至最低，將可大幅降低系統總成本。

功率

電池監視器本身也是電池的負載。較低的工作電流可提高系統效率，較低的待機電流可在汽車熄火後防止電池過度放電。

電池監視架構

圖一至四顯示4種電池監視系統架構。表一假設一個由96個電池組成的系統，以12個電池為一組，共分成8組，在這種情況下可總結每種架構的優點和缺點。在各個情況下，將由一個LTC6802監視一個由12個電池組成的電池組。

每種架構都設計為一個自主的電池監視系統，並提供一個到汽車主CAN匯流排的CAN匯流排介面，而且與汽車的其餘部分是電流隔離的。

並行獨立CAN模組（圖一）

每個由12個電池組成的模組都含有一個PC板，板上有一片LTC6802、一個微控制器、一個CAN介面和一個電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視資料會壓垮汽車的主CAN匯流排，因此這些CAN模組需要在區域CAN子網上。這個CAN子網由一個主控制器協調，該控制器還提供了至汽車主CAN匯流排的閘道。

《圖一　並行獨立CAN模組》

具CAN閘道的並行模組（圖二）

每個由12個電池組成的模組都含有一個 PC 板，板上有一片 LTC6802 和一個數位隔離器。這些模組與控制器電路板以獨立的介面連接，控制器電路板上含有一個微控制器、一個 CAN 介面和一個電流隔離變壓器。微控制器協調這些模組並提供到汽車主 CAN 匯流排的閘道。

《圖二　具CAN閘道的並行模組》

具CAN閘道的單個監視模組（圖三）

在這種配置中，由12個電池組成的模組內部沒有監視和控制電路。取而代之的是，單個PC板上有8個LTC6802監視器IC，每個IC都連接到其電池模組。LTC6802元件通過非隔離SPI相容串列介面通訊。單個微控制器通過SPI相容串列介面控制全部電池組監視器，它還是到汽車主CAN匯流排的閘道。再加上一個CAN收發器和一個電流隔離變壓器，形成了完整的電池監視系統。

《圖三　具CAN閘道的單個監視模組》

具CAN閘道的串列模組（圖四）

這種架構類似於單個監視模組，除了每個LTC6802都在由12個電池組成的模組內部的PC板上。這8個模組通過LTC6802非隔離SPI相容串列介面通訊，這需要在電池模組對之間連接3或4個傳導電纜。單個微控制器通過底部監視器IC控制全部電池組監視器，同時兼作到汽車主CAN匯流排的閘道。此處仍然需要一個CAN收發器和一個電流隔離變壓器，以形成完整的電池監視系統。

《圖四　具CAN閘道的串列模組》

電池監視架構選擇

第一種和第二種架構由於平行介面需要大量連接和外部隔離，一般而言易產生問題。為了因應這個使複雜性升高的問題，設計者需要實現到每個監視器元件的獨立通訊。第三種（具CAN閘道的單個監視模組）和第四種（具CAN閘道的串列模組）架構都是有最少限制的簡化方法。LTC6802可滿足所有4種配置的需求，系統設計者可以選擇LTC6802的兩個變體，一個用於串列配置，一個用於並行配置。

LTC6802-1用於疊置式SPI介面配置。多個LTC6802-1元件可以通過一個介面串列連接，該介面無需外部移位或隔離器就可沿著電池組來回發送資料。LTC6802-2允許單個元件用在並行架構中。兩個變體具有同樣的電池監視規格和功能。

電動汽車對電池組具有高度需求，汽車製造商更希望能以具經濟效益的電池系統，來滿足其嚴格的可靠性要求。凌力爾特最新的電池監控IC為系統設計者帶來了最高彈性，使其可在不影響效能的情況下，選擇最佳電池組架構。

---作者為Linear凌力爾特設計經理---