假定你接受了一項任務，為一個新的和基于電池的電源系統設計監視器電路，那么你會采取什么策略來優化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統的首選結構以及電池和有關電子組件的位置。基本結構清楚以后，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓撲的權衡協調問題，例如，怎樣優化最終產品的通信和互連。
電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復雜的電池模塊 (或電池組) 嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設計變數最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務求電池模塊或電池組集成到產品中后，會與整個產品概念更加一致。例如，在汽車設計情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。
另一個考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統 (或其子系統) 以及最終應用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數據采集電路，以便如果需要調換，那么生產 ID、校準、使用規格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統 (BMS)或維修設備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導線的數量。
接下來，就給定的機械概念設計而言，監視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車應用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點，而且系統的模塊化將決定一個給定的電路系統測量多少個電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個子組。通過在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數據采集系統，每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個經濟實惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示。或者，電子組件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實現可靠的數據完整性，內置于汽車線束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協議，例如廣泛使用的 CAN 總線。盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網絡層，但是可以很方便地采用 PHY 層構成 BMS LAN 結構，以高效率地進行模塊內的通信。這類分布式結構如圖 1 (b)所示。該拓撲允許在幾個小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數據傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應用接口(kou)很(hen)可能是至一個(ge)主系統管理(li)處理(li)器的 CAN 總線接線，而且將需要定(ding)義 (或在一開始規定(ding)) 特(te)定(ding)的信(xin)息事務處理(li)。

其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導致了額外的熱量管理問題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上，以提供一種將電壓讀數與充電狀態關聯起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時一個常常忽視的考慮因素是，當產品安裝之前閑置或儲存在貨架上時，電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。
在上(shang)面實(shi)現的這些(xie)結(jie)構中(zhong)(zhong)，都有(you)一(yi)個常見的測量功(gong)能(neng)構件(jian)，該構件(jian)包(bao)括一(yi)個多通道(dao) ADC、安全隔(ge)離勢壘和某種(zhong)程度的本(ben)地處理(li)能(neng)力。圖 2 電路(lu)顯示了一(yi)個實(shi)現數(shu)據采集功(gong)能(neng)的可(ke)擴展設(she)計平臺(tai)。在這個圖中(zhong)(zhong)，實(shi)現功(gong)能(neng)的核心組件(jian)是(shi)凌(ling)力爾特的 LTC6803 電池(chi)組監視器(qi) IC，同(tong)時顯示的還有(you)一(yi)個 SPI 數(shu)據隔(ge)離器(qi)和一(yi)些(xie)可(ke)選的特殊用途電路(lu)。該電路(lu)包(bao)括輸入濾波器(qi)和無源(yuan)平衡功(gong)能(neng)，構成了一(yi)個完(wan)整的 12 節電池(chi)數(shu)據采集解決方案。如果需要，這類電路(lu)可(ke)以(yi)簡單地復(fu)制(zhi)，以(yi)支持更多電池(chi)測量方案，同(tong)時共享主微控制(zhi)器(qi)的本(ben)地 SPI 端口，該主微控制(zhi)器(qi)反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數(shu)據鏈路(lu)所需。

與前(qian)一(yi)(yi)代監視(shi)器(qi)件相比，LTC6803 的(de)主要(yao)改進是(shi)，支持電(dian)源(yuan)停機和/或單獨(du)由(you)電(dian)池組供(gong)電(dian)。當電(dian)源(yuan)從(cong) V+ 引(yin)腳(jiao)去掉時，電(dian)池加載將(jiang)(jiang)降至(zhi)零(僅(jin)有 nA 級半導體泄漏(lou))。工作電(dian)源(yuan)可以由(you)接通(tong)的(de)電(dian)池組電(dian)壓提供(gong)，或從(cong)一(yi)(yi)個(ge)單獨(du)的(de)電(dian)源(yuan)提供(gong)給 V+，只要(yao)電(dian)壓始終至(zhi)少(shao)與電(dian)池組一(yi)(yi)樣(yang)高就行(xing)。為了實(shi)現簡單性，LTC6803 還(huan)可以直接從(cong)電(dian)池組獲取(qu)功率，在這種情況下(xia)，最低功率狀態(即(ji)備用) 將(jiang)(jiang)僅(jin)消(xiao)耗 12uA 電(dian)流(liu)。LTM2883 數(shu)據隔離(li)器(qi)通(tong)過一(yi)(yi)個(ge)內部隔離(li)的(de) DC-DC 轉換(huan)器(qi)，從(cong)主處(chu)理(li)(li)器(qi)供(gong)電(dian)，因此該器(qi)件將(jiang)(jiang)自動與主處(chu)理(li)(li)器(qi)一(yi)(yi)起斷電(dian)。LTM2883 的(de)一(yi)(yi)個(ge)非常(chang)有用的(de)功能(neng)(neng)是(shi)，它(ta)還(huan)能(neng)(neng)向隔離(li)的(de)電(dian)子組件(即(ji)電(dian)池端) 提供(gong)很大(da)和得自主機的(de)功率。一(yi)(yi)個(ge)小(xiao)型升(sheng)壓電(dian)源(yuan)功能(neng)(neng)組件 (圖 2 中的(de) LT3495-1) 就是(shi)這樣(yang)驅動的(de)，以獨(du)立地(di)給 LTC6803 供(gong)電(dian)，以便電(dian)池僅(jin)提供(gong) ADC 測(ce)量輸入電(dian)流(liu) (即(ji)在有效轉換(huan)時平(ping)均值 < 200nA)。該電(dian)路具(ju)有絕(jue)對最低的(de)寄生電(dian)池泄漏(lou)，同時消(xiao)除了任何電(dian)池的(de)工作電(dian)流(liu)失(shi)配(pei)，否則(ze)這種失(shi)配(pei)可能(neng)(neng)逐步導致電(dian)池容量失(shi)衡。

 LTC6803 的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)方便(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)是(shi)，有(you)(you)兩個(ge)(ge)自由的(de)(de)(de)(de)(de)、準(zhun)(zhun)確度與電(dian)池(chi)(chi)(chi)輸入(ru)(ru)類似的(de)(de)(de)(de)(de) ADC 輸入(ru)(ru)。這(zhe)(zhe)種(zhong)方便(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)允許用(yong)(yong)(yong)很少的(de)(de)(de)(de)(de)額外電(dian)路進(jin)行(xing)輔助(zhu)測量(liang)(liang)，包括溫度、校準(zhun)(zhun)信號(hao)或負(fu)載電(dian)流(liu)(liu)測量(liang)(liang)。一(yi)(yi)(yi)種(zhong)尤其有(you)(you)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)(liang)是(shi)，用(yong)(yong)(yong)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)門控(kong)電(dian)阻分(fen)(fen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)測量(liang)(liang)整個(ge)(ge)電(dian)池(chi)(chi)(chi)組的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)，實(shi)現(xian)方法如圖 2 所示 (采用(yong)(yong)(yong) 12:1 的(de)(de)(de)(de)(de)比例，連接到 VTEMP1 輸入(ru)(ru))。當電(dian)路斷電(dian)時，相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)(de) FET 斷開，這(zhe)(zhe)樣(yang)對電(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)(liang)就(jiu)(jiu)不(bu)會不(bu)必(bi)要(yao)(yao)地加(jia)重電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)負(fu)擔。既然(ran)該端(duan)口的(de)(de)(de)(de)(de)濾(lv)波可(ke)以(yi)獨立于(yu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)輸入(ru)(ru)來定制(zhi)，那(nei)么(me)為了(le)實(shi)現(xian)精確的(de)(de)(de)(de)(de)充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)計算所需的(de)(de)(de)(de)(de)、真(zhen)正(zheng)高(gao)(gao)達 200sps 的(de)(de)(de)(de)(de)奈奎(kui)斯(si)特(te) (Nyquist)采樣(yang)率是(shi)可(ke)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)。可(ke)以(yi)利用(yong)(yong)(yong)對單個(ge)(ge)電(dian)池(chi)(chi)(chi)測量(liang)(liang)來周期(qi)性(xing)地對整個(ge)(ge)電(dian)池(chi)(chi)(chi)組的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)提(ti)供軟件校準(zhun)(zhun)，這(zhe)(zhe)樣(yang)就(jiu)(jiu)不(bu)需要(yao)(yao)價格昂貴的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)阻器(qi)(qi)了(le)。輔助(zhu)輸入(ru)(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)非常有(you)(you)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)法是(shi)，測量(liang)(liang)準(zhun)(zhun)確度很高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)校準(zhun)(zhun)電(dian)源(諸如凌力爾特(te)的(de)(de)(de)(de)(de) LT6655-3.3，一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)準(zhun)(zhun)確度為 0.025% 的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)準(zhun)(zhun))，在這(zhe)(zhe)種(zhong)用(yong)(yong)(yong)法中(zhong)，允許軟件憑借通(tong)道至通(tong)道的(de)(de)(de)(de)(de)固有(you)(you)匹配，校正(zheng)其他(ta)所有(you)(you)通(tong)道。請(qing)注意，熱(re)敏電(dian)阻器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度探頭不(bu)必(bi)以(yi)電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)位為基(ji)準(zhun)(zhun)，這(zhe)(zhe)些(xie)探頭一(yi)(yi)(yi)般也不(bu)需要(yao)(yao) 12 位的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)辨率。這(zhe)(zhe)類探頭通(tong)常適用(yong)(yong)(yong)于(yu)直接與微(wei)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)連接，從而留出(chu)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng) LTC6803 的(de)(de)(de)(de)(de)輔助(zhu)輸入(ru)(ru)，以(yi)實(shi)現(xian)要(yao)(yao)求更加(jia)苛刻的(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)。

總之，在電池管理系統電路中需(xu)(xu)要考慮的(de)因(yin)素(su)有很多，特別是那些決(jue)定封裝(zhuang)限(xian)制的(de)因(yin)素(su)。當封裝(zhuang)設計思想匯聚在一(yi)(yi)起時(shi)，考慮一(yi)(yi)下也有可能產生機械影響的(de)電子線(xian)路與信息流的(de)結(jie)構(例如：連接器化和(he)導(dao)線(xian)數目) 同樣也是很重要。一(yi)(yi)旦(dan)權衡(heng)過(guo)這些因(yin)素(su)而(er)且封裝(zhuang)設計思想成熟之(zhi)后，只需(xu)(xu)直接插入一(yi)(yi)款(kuan)采用(yong) LTC6803 平臺，一(yi)(yi)個聲名(ming)卓著、可擴展和(he)具成本效益的(de)數據采集解決(jue)方(fang)案(an)便(bian)大功告成了。

                                                                                                                             本文摘自于(yu)全球電池網