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(tǒng)設計監(jiān)視器電路,，那么你會采取什么策略來優(yōu)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(tǒng)的首選結(jié)構(gòu)以及電池和有關電子組件的位置,。基本結(jié)構(gòu)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(xié)調(diào)問題，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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)量的限制或引起其他的尺寸限制,？這也許是設計變數(shù)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(chǎn)品中后，會與整個產(chǎn)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(tǒng) (或其子系統(tǒng)) 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(shù)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(shù)據(jù)采集電路，以便如果需要調(diào)換,，那么生產(chǎn) ID,、校準、使用規(guī)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(tǒng) (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(shù)量。
(a)集中式架構(gòu) (b)分布式架構(gòu)
圖 1：不同的電池監(jiān)視拓撲
接下來,，就給定的機械概念設計而言,，監(jiān)視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數(shù)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(tǒng)的模塊化將決定一個給定的電路系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，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(jīng)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?；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,。為了實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)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(xié)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(wǎng)絡層，但是可以很方便地采用 PHY 層構(gòu)成 BMS LAN 結(jié)構(gòu),，以高效率地進行模塊內(nèi)的通信,。這類分布式結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)傳輸速率,，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應用接口很可能是至一個主系統(tǒng)管理處理器的 CAN 總線接線,，而且將需要定義 (或在一開始規(guī)定) 特定的信息事務處理,。
其他因素也可能對物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)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(zhuǎn)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(shù)與充電狀態(tài)關聯(lián)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(chǎn)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。
在上面實現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中,，都有一個常見的測量功能構(gòu)件，該構(gòu)件包括一個多通道 ADC,、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力,。圖 2 電路顯示了一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴展設計平臺。在這個圖中,，實現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監(jiān)視器 IC,，同時顯示的還有一個 SPI 數(shù)據(jù)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源平衡功能,，構(gòu)成了一個完整的 12 節(jié)電池數(shù)據(jù)采集解決方案,。如果需要，這類電路可以簡單地復制,，以支持更多電池測量方案,，同時共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數(shù)據(jù)鏈路所需,。
與前一代監(jiān)視器件相比,，LTC6803 的主要改進是，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,，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。為了實現(xiàn)簡單性,，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(shù)據(jù)隔離器通過一個內(nèi)部隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,，從主處理器供電，因此該器件將自動與主處理器一起斷電,。LTM2883 的一個非常有用的功能是,，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。一個小型升壓電源功能組件 (圖 2 中的 LT3495-1) 就是這樣驅(qū)動的,，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(zhuǎn)換時平均值 <200nA),。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏，同時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 的一個方便的功能是，有兩個自由的,、準確度與電池輸入類似的 ADC 輸入,。這種方便的功能允許用很少的額外電路進行輔助測量，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，用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓,，實現(xiàn)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,，相關的 FET 斷開,，這樣對電流的測量就不會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定制,，那么為了實現(xiàn)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€電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟件校準,，這樣就不需要價格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個非常有用的用法是,，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,，以實現(xiàn)要求更加苛刻的功能。
圖 2：完整的 12 節(jié)電池隔離型 BMS 測量功能
總之,，在電池管理系統(tǒng)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?yún)R聚在一起時，考慮一下也有可能產(chǎn)生機械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu) (例如：連接器化和導線數(shù)目) 同樣也是很重要,。一旦權衡過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，一個聲名卓著,、可擴展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了,。