【導讀】電池管理系統電路中，需要考慮很多因素。當需要為一個(gè)新的和基于電池的電源系統設計監視器電路時(shí)，我們應該如何去設計以達到降低成本提高可造性的目的呢？本文將講解在設計電池管理系統時(shí)的主要設計思路，以幫助工程師們能夠設計出更加優(yōu)秀的解決方案。
總之，在電池管理系統電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當封裝設計思想匯聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機械影響的電子線(xiàn)路與信息流的結構(例如：連接器化和導線(xiàn)數目)同樣也是很重要。一旦權衡過(guò)這些因素而且封裝設計思想成熟之后，只需直接插入一款采用LTC6803平臺，一個(gè)聲名卓著(zhù)、可擴展和具成本效益的數據采集解決方案便大功告成了。
假定你接受了一項任務(wù)，為一個(gè)新的和基于電池的電源系統設計監視器電路，那么你會(huì )采取什么策略來(lái)優(yōu)化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問(wèn)題將是確定系統的首選結構以及電池和有關(guān)電子組件的位置?；窘Y構清楚以后，接下來(lái)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題是，電路拓撲的權衡協(xié)調問(wèn)題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)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(wèn)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(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會(huì )與整個(gè)產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車(chē)設計情況下，電池最終也許分散在車(chē)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(gè)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(gè)外殼，用來(lái)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(chǎn)ID、校準、使用規格等重要信息能隨著(zhù)可替換組件帶走。這類(lèi)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(xiàn)束中所需的高壓額定值導線(xiàn)的數量。
接下來(lái)，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(chē)應用中，一般情況下總共會(huì )有100個(gè)以上的電池測量點(diǎn)，而且系統的模塊化將決定一個(gè)給定的電路系統測量多少個(gè)電池。最常見(jiàn)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(gè)子組。通過(guò)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(zhù)，要采用兩套隔離的數據采集系統，每套也許支持50個(gè)電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個(gè)經(jīng)濟實(shí)惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖1(a)所示?；蛘?，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(shí)現可靠的數據完整性，內置于汽車(chē)線(xiàn)束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協(xié)議，例如廣泛使用的CAN總線(xiàn)。盡管真正的CAN總線(xiàn)接口涉及幾個(gè)網(wǎng)絡(luò )層，但是可以很方便地采用PHY層構成BMSLAN結構，以高效率地進(jìn)行模塊內的通信。這類(lèi)分布式結構如圖1(b)所示。該拓撲允許在幾個(gè)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(wèn)題。最終的BMS應用接口很可能是至一個(gè)主系統管理處理器的CAN總線(xiàn)接線(xiàn)，而且將需要定義(或在一開(kāi)始規定)特定的信息事務(wù)處理。
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在上面實(shí)現的這些結構中，都有一個(gè)常見(jiàn)的測量功能構件，該構件包括一個(gè)多通道ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖2電路顯示了一個(gè)實(shí)現數據采集功能的可擴展設計平臺。在這個(gè)圖中，實(shí)現功能的核心組件是凌力爾特的LTC6803電池組監視器IC，同時(shí)顯示的還有一個(gè)SPI數據隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無(wú)源平衡功能，構成了一個(gè)完整的12節電池數據采集解決方案。如果需要，這類(lèi)電路可以簡(jiǎn)單地復制，以支持更多電池測量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地SPI端口，該主微控制器反過(guò)來(lái)再提供外部CAN總線(xiàn)或其他LAN型數據鏈路所需。
圖2：實(shí)現數據采集功能的可擴展設計平臺
與前一代監視器件相比LTC6803的主要改進(jìn)是，支持電源停機和/或單獨由電池組供電。當電源從V+引腳去掉時(shí)，電池加載將降至零(僅有nA級半導體泄漏)。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個(gè)單獨的電源提供給V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實(shí)現簡(jiǎn)單性，LTC6803還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態(tài)(即備用)將僅消耗12uA電流。LTM2883數據隔離器通過(guò)一個(gè)內部隔離的DC-DC轉換器，從主處理器供電，因此該器件將自動(dòng)與主處理器一起斷電。
LTM2883的一個(gè)非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件(即電池端)提供很大和得自主機的功率。一個(gè)小型升壓電源功能組件(圖2中的LT3495-1)就是這樣驅動(dòng)的，以獨立地給LTC6803供電，以便電池僅提供ADC測量輸入電流(即在有效轉換時(shí)平均值<200nA)。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏，同時(shí)消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導致電池容量失衡。
LTC6803的一個(gè)方便的功能是，有兩個(gè)自由的、準確度與電池輸入類(lèi)似的ADC輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進(jìn)行輔助測量，包括溫度、校準信號或負載電流測量。一種尤其有用的測量是，用一個(gè)門(mén)控電阻分壓器測量整個(gè)電池組的電壓，實(shí)現方法如圖2所示(采用12:1的比例，連接到VTEMP1輸入)。當電路斷電時(shí)，相關(guān)的FET斷開(kāi)，這樣對電流的測量就不會(huì )不必要地加重電池的負擔。既然該端口的濾波可以獨立于電池輸入來(lái)定制，那么為了實(shí)現精確的充電電流計算所需的、真正高達200sps的奈奎斯特(Nyquist)采樣率是可能的?？梢岳脤蝹€(gè)電池測量來(lái)周期性地對整個(gè)電池組的分壓器提供軟件校準，這樣就不需要價(jià)格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個(gè)非常有用的用法是，測量準確度很高的校準電源(諸如凌力爾特的LT6655-3.3，一個(gè)準確度為0.025%的基準)，在這種用法中，允許軟件憑借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準，這些探頭一般也不需要12位的分辨率。這類(lèi)探頭通常適用于直接與微控制器連接，從而留出高性能LTC6803的輔助輸入，以實(shí)現要求更加苛刻的功能。
總之，在電池管理系統電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當封裝設計思想匯聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機械影響的電子線(xiàn)路與信息流的結構(例如：連接器化和導線(xiàn)數目)同樣也是很重要。一旦權衡過(guò)這些因素而且封裝設計思想成熟之后，只需直接插入一款采用LTC6803平臺，一個(gè)聲名卓著(zhù)、可擴展和具成本效益的數據采集解決方案便大功告成了。
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