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基于锂的电池化学材料在大功率工业和交通运输系统中正在迅速取代铅酸和镍氢金属 (NiMH) 材料。不过，锂化学材料在能量和功率密度方面的优点被电池管理电子电路更高的复杂性抵消了。在这些“下一代”电池管理系统 (BMS) 中，开发人员需要应对非常具有挑战性的设计限制。他们必须在严酷的噪声环境中，在宽温度范围内以非常高的精确度和存在几百伏共模电压的情况下测量每节电池的电压。
锂电池组是由一组单节锂离子电池制成，这些锂离子电池的典型电压电流值为 2.5V 至 3.9V 以及 4A-hr 至 40A-hr。在很多系统中，有 36 至 200 节电池串联连接。我们来考虑一些在混合电动汽车应用中采用大功率锂离子电池组的挑战。电池组必须提供快速可再充电能力：消费者要求所采用的电池组寿命至少达 10 年，并在一次充电后的行驶距离达到 100 英里，峰值充电电流和放电电流约为 200A，而且最重要的是，其发生 ROE (快速氧化事件，即着火) 的可能性必须小于燃油动力汽车。当然，必须以对汽车成本影响最小的方式提供所有这些性能。总之，采用锂电池组的电动汽车 (EV) 的设计挑战要求在性能、经济性和安全性之间取得平衡。两个关键要素是电池设计和电池管理电子电路。
一个锂离子电池充电到 100% 充电状态 (SOC) 或放电到 0% 充电状态将降低其长期容量。结果，锂离子电池的工作充电状态通常被限制到一个较小的范围，诸如 30% 至 70%。这将有用电池容量降低至仅为全部规定容量的 40%。为了充分利用可用电池容量范围，电池系统必须非常准确地监视每节电池的电压 (该电压直接对应于充电状态)。这是因为锂离子电池具有相对平坦的充电曲线 (参见图 1)。例如，仅为几毫伏的电池电压变化也许表明 1% 的充电状态变化。
图 1：典型的锂离子电池放电曲线
在一个高压电池组中采用多节锂离子电池给保持特定充电状态范围这个目标增加了极大的复杂性。一个锂离子电池组不能像单个电源那样充电和放电。由于制造的差异性，各节电池的容量略有不同，而且这种容量差异随着时间的推移会增大，因为较差的电池比其它电池老化快。就那些容量稍小于其他电池的电池而言，它们的充电状态在多个充电和放电周期之后将逐渐偏离。如果每节电池的充电状态未得到周期性均衡，那么有些电池最终将过度充电或过度放电，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。
此外，大功率电池应用一般必须应对电源负输出、开关稳压器、继电器、启动装置和其它来源产生的显著噪声。图 2 模拟一个由 100 节电池组成的电池组的输出，该输出具有来自 10kHz 负输出的尖峰，为电动机供电。在这个例子中，每节电池都有一个 3.7V 的平均 DC 值，而且 100V 瞬态均等地分摊到 100 节电池上。最上面那节电池具有 370V 共模电压，100V 共模开关瞬态和 1V 差分瞬态。
图 2：高压电池组开关噪声
显然，其电池管理电子电路面临着一个非常大的模拟测量挑战。这些电子电路必须沿着这个高压电池组快速和准确地测量每节电池的电压。这要求能够从一个范围为 0V 至高于 1000V (随着你沿着电池组向上移动) 的共模电压中抽取一个小的差分电压。今天的电池管理系统 (BMS) 大部分使用现售组件的组合，这些组件以模块化方式排列。图 3 说明了一个由 36 节电池组成的电池组怎样以 12 节电池为一组分成 3 组来监视。将这个电池组分成小组降低了到每套模拟电子电路的共模电压。由 12 节电池组成的模块为模拟电子电路提供局部电源和地，该模拟电子电路采用凌力尔特公司的 LTC6802-1 电池组监视器。
图 3：典型的电池组配置
LTC6802 为大型电池组处理数据采集任务，而且尤其适用于锂离子电池。LTC6802 直接连接到由多达 12 个单节电池组成的电池串中的每一节。每节电池的电压都以 1.5mV 的分辨率数字化成一个 12 位字。用一个独特的电平移位串行接口，多个 LTC6802无需光耦合器或隔离器就可以串联叠置。在高抗噪声串行数据沿着电池组被发送到一个系统控制器时，这允许在非常长的串联连接电池串中的每节电池处精确地直接测量电压。当多个 LTC6802 器件串联连接时，它们可以同时运行，从而允许对电池组中的所有电池进行快速和准确的电压测量。
在整个温度和电压范围内，电压测量准确度高于 99.75%，而且电池组中所有电池的电压都可以在 13ms 时间内测量。每节电池的欠压和过压情况都得到监视，而且每节电池的输入都有一个相联的 MOSFET 开关，该开关可用来对任何过度充电的电池放电。这些开关用于所谓的无源充电均衡，以应对上述的电池均衡挑战。每个 LTC6802 都通过一个 1MHz 的串行接口通信，该接口支持广播和寻址指令。该器件还包括两个热敏电阻输入以测量环境或电池组温度、两条 GPIO 线和一个 5V 稳压器。凌力尔特公司为具有挑战性的汽车环境做出了特殊考虑；LTC6802 设计在工业温度范围内工作，具有高的抗 ESD、抗 EMI 和抗噪声性能，并具有内置的诊断和自测试功能。
这个高度集成的高性能多节电池监视 IC 解决了很多今天最新的电池系统造成的难题。在整个工作温度范围内的高精确度测量允许电池在它们的全部可用充电状态范围内使用，而且有把握电池不会超过这些限制。LTC6802 的坚固性允许该器件在汽车环境中可靠工作，而且该器件的集成能够使电池系统应付成本、空间和可制造性制约的挑战。
图 4：LTC6802 方框图
经过多年的努力与不断进步，高能量电池系统就日常使用而言不久就将切实可行，尤其是作为电动和混合动力汽车的组成部分。这种技术有望极大地改进全球能量转换效率，而且能够增加使用可替代能源。在这种情况出现之前，必须为实用、经济和可靠的电池系统解决各个层次的技术问题。凌力尔特公司的 LTC6802 解决了一个主要问题。这个电池监视 IC 将数据采集任务缩小到单个器件中，能够支持由很多电池组成的长电池串。像这样的进步将确保电动和混合电动汽车的商业成功，并为很多其它应用创造机会。
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