假定你接受了一項(xiàng)任務(wù)，為一個(gè)新的和基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)視器電路,，那么你會采取什么策略來優(yōu)化該設(shè)計(jì)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(guān)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(gè)問題是,，電路拓?fù)涞臋?quán)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(fù)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(dǎo)致對電池?cái)?shù)量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設(shè)計(jì)變數(shù)最大的部分,，因?yàn)橥庑涡路f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,，會與整個(gè)產(chǎn)品概念更加一致。例如,，在汽車設(shè)計(jì)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(gè)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(yīng)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(gè)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(zhǔn),、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(shè)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(dǎo)線的數(shù)量,。
接下來，就給定的機(jī)械概念設(shè)計(jì)而言,，監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的,、所需支持的電池?cái)?shù)量決定。在汽車應(yīng)用中,，一般情況下總共會有 100 個(gè)以上的電池測量點(diǎn),，而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個(gè)給定的電路系統(tǒng)測量多少個(gè)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(gè)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(xiǎn),。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(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(jì)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,。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(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性,，內(nèi)置于汽車線束中的遠(yuǎn)端測量功能電路必須采用一種堅(jiān)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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?fù)湓试S在幾個(gè)小型處理器之間分配計(jì)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(yīng)用接口很可能是至一個(gè)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(wù)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(dǎo)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(gè)模塊之上,，以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)常常忽視的考慮因素是,，當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應(yīng)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(shí)現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中,，都有一個(gè)常見的測量功能構(gòu)件,，該構(gòu)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)平臺,。在這個(gè)圖中，實(shí)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(shí)顯示的還有一個(gè) 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(gè)完整的 12 節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)采集解決方案,。如果需要,，這類電路可以簡單地復(fù)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(jìn)是,，支持電源停機(jī)和/或單獨(dú)由電池組供電。當(dāng)電源從 V+ 引腳去掉時(shí),，電池加載將降至零(僅有 nA 級半導(dǎo)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(dú)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(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(gè)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(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(jī)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(qū)動的，以獨(dú)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(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(dǎo)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(zhǔn)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(jìn)行輔助測量,，包括溫度、校準(zhǔn)信號或負(fù)載電流測量,。一種尤其有用的測量是,，用一個(gè)門控電阻分壓器測量整個(gè)電池組的電壓，實(shí)現(xiàn)方法如圖 2 所示 (采用 12:1 的比例,，連接到 VTEMP1 輸入),。當(dāng)電路斷電時(shí)，相關(guān)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(fù)擔(dān),。既然該端口的濾波可以獨(dú)立于電池輸入來定制，那么為了實(shí)現(xiàn)精確的充電電流計(jì)算所需的,、真正高達(dá) 200sps 的奈奎斯特 (Nyquist)采樣率是可能的,。可以利用對單個(gè)電池測量來周期性地對整個(gè)電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn),，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(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源(諸如凌力爾特的 LT6655-3.3,，一個(gè)準(zhǔn)確度為 0.025% 的基準(zhǔn)),，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(zhǔn),，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(shí)現(xiàn)要求更加苛刻的功能,。
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(dāng)封裝設(shè)計(jì)思想?yún)R聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機(jī)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(dǎo)線數(shù)目) 同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過這些因素而且封裝設(shè)計(jì)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、可擴(kuò)展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了,。