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(jiān)控電路的第一個挑戰(zhàn)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(tài)估測時，5 mV的測量誤差代表10%的錯誤?！北仨毻Ｖ闺姵氐姆烹?，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(yè)電池產品業(yè)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(fā)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(jiān)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(jiān)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）?？梢圆捎霉怦?、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(fā)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(jiān)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(jiān)控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監(jiān)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(fā)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(jiān)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(jié)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IC設計者，要用導環(huán)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(huán)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?？煽啃詥栴}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(jiān)控測量情況。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）微控制器查詢芯片，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(xù)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，還要確保冗余安全芯片的運行。他指出，BIST（內置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業(yè)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(fā)布該標準。開發(fā)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(huán)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(huán)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消費電子更寬的溫度范圍。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(fā)電機是否在工作時，就會出現這種現象。此時，交流發(fā)電機會向電氣系統發(fā)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。

　　EMI會干擾測量，是電動汽車中的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一（圖7）。所有走線和高阻節(jié)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?！辈贿^，去耦只是一個開始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷電路板）布局，以及屏蔽等。

　　圖7，這個實驗結構可向測量系統注