??電池芯、超級電容和燃料電池芯都需要小心監護，以擴展諸如電動汽車和混合型汽車中的能源存儲系統的使用范圍，延長其壽命，并確保其安全性（圖1）。電池正在一系列汽車應用中得到發展。微型混合型汽車采用傳統的12V鉛酸電池，并有交流發電機-電機單元，汽車停車時可以讓引擎停機。當踩下油門時，引擎會順滑地起動，然后正常運行。而混合型汽車有更大的電池，如豐田公司的Prius、本田公司的Insight和雪佛蘭的Volt。這些電池產生的電壓超過200V。傳統電池芯的化學類型是NiMH（鎳金屬-氫化物），但很多鋰化學技術能在某種重量下提供更高的能量（圖2）。全電動汽車（如Tesla的Roadster和尼桑的Leaf）都有最大的電池，它們電池組的電壓范圍從300V?400V。 ??電池電壓越高，在給定功率下的電流就會越低，從而減小了昂貴銅線電纜的直徑。更重要的是，較高的電壓可以采用較大輸出的電機繞組。2004年，豐田為Prius增加了一個升壓轉換器，將電池組電壓從200V升高至500V。這一步驟使豐田重新設計了推進電機，將扭矩從350 Nm提高到400 Nm，而功率從33 kW提高到50 kW（參考文獻1）。 ?? ??數據中心亦將300V電池串用于UPS（不間斷電源）備份電源。在這種應用中，鋰離子電池正在替代鉛酸電池。汽車利用了鋰離子更好的重量能量密度，即每磅或每千克的能量。UPS應用則利用了鋰離子電池的體積能量密度。數據中心的空間都很昂貴，盡管鋰離子電池系統價格可能較高，但它占據的空間只有鉛酸電池系統的四分之一。這一事實通常能讓數據中心將電池和轉換器系統放在一間屋子里。有些數據中心正在考慮去掉轉換器，而將直流電源輸送給可以接受直流輸入的數據中心服務器。 ??由于鋰離子電池的尺寸小，它們在電網級應用中可獲得與數據中心相同的效益。有些電網級方案傾向采用燃料電池，而高壓燃料電池組要求與電化學電池相同的精心監護。燃料電池芯還有特殊要求，在使用期間燃料電池芯有兩種極性，會表現出多種故障模式。IC制造商正在使自己的電池組監護芯片適應于承受這些電池芯的負電壓。 ?? ??圖2，電動汽車與UPS應用都可能使用多種電池類型，它們都需要用電池組測量IC作監控（Linear Technology公司提供）。 ??當監護超級電容組時，也會出現類似的問題。用戶希望獲得電容的全部能量，而這樣就意味著要將其放電至0V。如果出現這種情況，則介電效應將使電容出現一個負電壓，一般可達-0.5V。有些IC制造商正在改進自己的電池組芯片，使之能承受負電勢。超級電容存儲的能量少于電池或燃料電池，因此較少用于高能應用（見附文1“電池的化學特性”）。 ??電池芯監控 ??汽車與UPS制造商都希望精確地監控一個電池組中的每只電池芯。Analog Devices公司混合與電動汽車行業營銷經理Paul Maher說：“你肯定不愿因為一只壞電池芯而讓汽車停下來，但過熱情況下就得停車了。”對汽車電池的監控非常關鍵。他補充說：“一臺筆記本電腦的電池預計可使用兩年，但一個汽車電池組應可持續10年。” ??測量必須很精確，因為數毫伏電壓可能代表著大量的電荷。測量有一種共模問題，它要在有數百伏共模電勢情況下，嘗試對電池芯的精確測量。這種測量不是可以使用集成ADC的直流測量。電池電壓可能以千赫的速率做改變，原因是電機變頻器電路的斬波動作。此外，測量系統還需要有隔直措施，因為電池電壓很危險。芯片必須耗電很低，這樣才不會消耗掉電池能量。除了測量本身的困難以外，還必須將測量結果送至汽車或數據中心的多個目標點。 ?? ??圖3，本電路解決了共模電壓的測量問題，方法是通過一個小型隔離變壓器，傳送電池芯電壓與二極管壓降。 ??電池組監控電路的第一個挑戰就是精度。現代鋰離子電池芯有一個平坦的放電曲線。德州儀器公司功率營銷經理Matthew Borne稱：“在對電池芯的充電狀態估測時，5 mV的測量誤差代表10%的錯誤。”必須停止電池的放電，否則會損壞電池，因此較高的精度直接對應著更大的范圍；一個4V電池芯上的8 mV準確度對應0.2%的精度。要提供0.2%的系統精度，電壓基準在時間和溫度上的精度都必須為約0.1%（參考文獻2）。 ?? ??一旦獲得了足夠的精度，就面臨著另一個問題：測量一只可能與十幾只其它電池芯串聯的4V電池芯。如果打算用衰減器來測量電池芯電壓，就可能需要精密電阻分壓器（見附文2“共模問題”）。薄膜電阻并不夠精確，不能隨溫度而保持足夠緊密的跟蹤性。 ??電容可以充到電池芯電壓，然后將它們切換到一個以機架為基準的電勢。這種所謂的飛電容（flying-capacitor）方法可以工作，但有缺點。例如，Maxim Integrated Products公司的汽車與工業電池產品業務經理Stephen G LaJeunesse認為，電容會開始在不同電勢的電池芯之間傳送失配的電荷。他說：“它們還需要大電壓開關，而這些開關有自身的損耗，”從而降低了電路的效率。 ??Linear Technology公司資深科學家Jim Williams開發了一種新穎電路，采用小型廉價變壓器查詢每只電池芯的電壓（圖3與參考文獻3）。電路工作情況良好，但變壓器增加了成本，也會由于震動而出現故障。 ??電池組監控IC的制造商避免共模問題的方法是將芯片浮接在電池組的電壓上。它們將模擬測量值轉換為數字值，然后將這些數字位下送給其它芯片的daisy鏈。這個步驟可去掉系統中的電阻衰減器，并且測量中不會有任何的共模衰減誤差（圖4）。 ??將測量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個隔離絕緣器，而不是多個。幾十年前，工程師們要通過絕緣屏障來傳送模擬電壓。電池組監控芯片結構是當前的趨勢。測量模擬電壓，然后將該電壓轉換為數字位。將數字化數據傳送過一個隔直屏障有很多種方法（參考文獻4）。可以采用光耦、隔直電容、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過隔離屏障發送模擬電平，則可以采用delta-sigma調制器，如Avago的產品。 ??一旦確保了精確測量，并解決了共模問題，還必須確認滿足了設計的功率要求。電池組本身能為大多數電池監控IC提供電源，而這意味著會耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會超過周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監控電路就不會消耗動力電池的能量。 ?? ??當設計測量系統時，必須要在某個通信鏈路上發送數據。有些制造商會將一種簡單的局域串行協議（如串行外設接口SPI）轉換為一種高級協議，如CAN（控制器局域網）總線。CAN通信在汽車中的應用已有幾十年時間，證明了其可靠性。 ??這些對測量系統的考慮還只是基本需求。為了滿足汽車制造商對可靠性和責任的關切，我們必須測量電池組中的每個芯。為了盡量減少所需要的測量轉換器數量，大多數IC制造商都在自己的電池組監控芯片中采用了高壓、有故障保護的多工器，使芯片能夠精確地測量4只?12只電池芯，然后將測量結果通過一個串行總線，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。 ??當裝配工人或機器采用熱插拔更換方法，將測量電路連接到電池上時，就產生了另一個重要的可靠性問題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對任意電池芯檢測線的隨意連接會向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認為芯片必須有加固的節點，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說：“DMOS和CMOS已經做了這個工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內部如何短接晶體管阱和柵。”他告誡者，要用導環來解決熱載流子的注入問題。 ?? ??大多數制造商都同時提供外部和片上的溫度檢測，因而系統設計者能夠測量出環境溫度和電池芯溫度。然后，設計者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數。可靠性問題也使得汽車制造商提出了對全冗余測量系統的要求（圖6與參考文獻5）。在這些結構中，一組daisy鏈接的芯片做測量，另一組芯片則用設定了最大最小極限值的比較器，監控測量情況（http://www.edn.com/photo/288/288441-Battery_stack_monitor_ICs_scrutinize_the_cells_Web.gif給出了這些效應的演示圖）。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無源的，原因是：如果一只芯片出現電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過。大多數的電池組測量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統的BMU（電池管理單元）查詢芯片，以確保芯片的上電和工作。 ??除了這種系統級冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能（參考文獻6）。 ??Intersil公司汽車產品營銷經理Kenneth Lenk表示這類芯片包含了多種電壓基準。他補充說，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。 ??很多制造商都強調說，他們的器件擁有無源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時也能繼續工作。Analog Devices公司精確放大器系列產品經理Sam Weinstein稱，制造商不僅要建立內部的冗余，還要確保冗余的運行。他指出，BIST（內置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業要求的基礎。 ??一個工程化委員會正在將汽車電池組系統的失效保護以及冗余功能做到ISO（國際標準化組織）26262標準中，ISO組織預計將在今年發布該標準。開發人員采用了這個標準后，就能為他們提供電動汽車中模擬、數字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務關鍵的先進傳動模塊的模擬與數字硬件。 ??電池環境 ??除了汽車電池組的測量以外，還必須使系統能在現代汽車所經歷的惡劣環境下生存。所有這些元件都會遭受到震動與加速度。例如在鐵道上通過鎖鏈懸掛運輸汽車時會出現最大加速度，表面安裝芯片和無源元件都要防震。 ??系統還必須能承受較更寬的溫度范圍。例如，電池芯無法承受+125°C的溫度。并且，大多數芯片可以工作到+85°C的溫度，Maxim和Analog Devices公司的芯片可工作到+105°C。Intersil和其它制造商提供能在汽車制造商指定溫度下工作的芯片。低溫也會產生問題。晶體管基射結電壓和互導會隨溫度的降低而上升，從而造成放大器的振蕩。 ??電池組測量系統的設計必須能承受EOS（電氣過載）。例如，當某個技工斷開一個運轉中引擎的電池電纜，以確定交流發電機是否在工作時，就會出現這種現象。此時，交流發電機會向電氣系統發出一個100V脈沖。盡管電動汽車電池組芯片可能不會遭受到這種壓力，但母線連接的電池芯則可能在大電流流過時遭到損壞，因為在電池電壓上產生了一個大的過沖。 ??會干擾測量，是電動汽車中的最大環境挑戰之一（圖7）。所有走線和高阻節點都會受EMI影響，EMI可能破壞對電池芯電壓的測量。據Linear Technology公司應用經理Tim Regan稱，交流紋波可能到處都是。這種紋波來源于轉換器的斬波頻率，并加到電機的電噪聲上。 ??Regan補充說：“基本的去耦方法就很有效。”不過，去耦只是一個開始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷）布局，以及屏蔽等。 ?? ??圖7，這個實驗結構可向測量系統注入電流，以確保芯片可以承受大電流。覆箔的盒子隔離了外部的輻射，因此不會影響測量（Linear Technology公司提供）。 ??一旦從測量中去除了EMI，還需要考慮EMI可能造成daisy鏈中各芯片之間串行通信的損失。芯片之間的通信鏈路可能有不同的長度。Intersil公司的Lenke說：“整個鏈路上可能有400V?600V的電勢。” ??電動汽車設計者還必須處理磁場的問題，磁場源于在汽車充電器、電池和電機之間來回穿梭的大電流。屏蔽磁場非常困難，需要沉重的金屬板或鋼板才能將磁場與電子元件隔離開來。與所有其它噪聲問題一樣，解決這一問題的好方法是在源頭抑制。要將所有大電流都局限在小的回路區域內。 ??在汽車電池組監控系統中，成本是最重要的問題。面向大眾市場的汽車不可能在電池組中裝十幾只60美元的芯片。在這個意義上，汽車設計要比軍用設計困難得多，因為汽車公司不可能投入無限的資金，去解決震動、溫度以及市場的高性能需求問題。Linear公司信號調整產品的總經理Erik Soule認為，芯片必須有高性能和低成本，可以大批量供應，有很好的成品率。