在非完美電池管理系統中的故障監視

引言

　　想想那句稱(chēng)為“墨菲定律”的古老格言：“凡是可能出錯的事情均會(huì )出錯。”。在過(guò)去50年中，基于電子組件的系統得到了充分發(fā)展，已經(jīng)能夠以非凡的高可靠性提供非常先進(jìn)的監視和控制功能。擔心可靠性一般是因為對人的生命有潛在危險，緊隨其后的原因是故障導致的高額損失和產(chǎn)品用戶(hù)對滿(mǎn)意度的下降。不過(guò)，事物從來(lái)都不是完美的，因此總是需要不斷地提高可靠性，以產(chǎn)生安全、耐久的電子系統。

　　當系統可靠性必須保證而別無(wú)選擇時(shí)，最好但也最昂貴的方法是，使用完全冗余的電路。完全一樣的電路同時(shí)執行相同的功能，而且對執行結果進(jìn)行某種形式的表決以始終產(chǎn)生最安全的效果。在很多這類(lèi)系統中，如果檢測到有故障的電路，那么就自動(dòng)去掉該電路，并用一個(gè)相同的備份電路代替。對于長(cháng)期可靠運行來(lái)說(shuō)，這是理想的拓撲。另一方面，故障的后果并不總能證明完全冗余導致的高額費用是合理的。這類(lèi)系統只是依靠所使用的每一個(gè)組件固有的可靠性。單個(gè)組件故障可能?chē)乐貧南到y或永久損害準確度。具有這種性質(zhì)的設計假定存在大量風(fēng)險，但是能以最低成本實(shí)現。

　　就高度可靠的系統而言，居于中間的方法是故障監視，采用這種方法時(shí)，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異?，F象。由于在電路中的任何位置隨時(shí)都有可能發(fā)生任何事情，因此被監視的元件越多越好。對于檢測到的故障所做出的反應會(huì )是多種多樣的，從系統完全停機 (例如：火車(chē)上的常閉式緊急停車(chē)開(kāi)關(guān)) 到某種簡(jiǎn)單的服務(wù)報警 (類(lèi)似于汽車(chē)中儀表板上的“傻瓜燈”) 等等。

　　本文將闡述如何通過(guò)使用 LTC6801 故障監視 IC，提高一種高壓鋰離子電池組的長(cháng)期可靠性。在電動(dòng)型汽車(chē)、不中斷電源、醫療儀器甚至電動(dòng)工具等應用中，用電池作電源是一種持續不斷的發(fā)展趨勢，這些應用每種都有不同程度的可靠性預期。

　　長(cháng)壽命電池電源面臨的挑戰

　　對于電動(dòng)車(chē)和大量其它類(lèi)型的便攜式設備來(lái)說(shuō)，電池已經(jīng)成為一種主要的非傳統能源。鋰離子電池非常受歡迎，因為與具有相同能量密度的其它化學(xué)組成的電池相比，鋰離子電池的能量密度允許鋰離子電池組更小、更輕。對于大功率應用來(lái)說(shuō)，如電動(dòng)型汽車(chē)，需要疊置數百個(gè)電池以形成一個(gè)高壓電源，這種電源產(chǎn)生更小的電流，可使用更細和重量更輕的導線(xiàn)。在這類(lèi)汽車(chē)應用中，駕駛員的安全是第一位的，接下來(lái)是車(chē)主的滿(mǎn)意度。因此，實(shí)現安全可靠的長(cháng)期運行有顯而易見(jiàn)的理由。為達到這個(gè)目的，每節電池的電量都必須得到持續監視，以在多年使用的情況下保持最佳水平。

　　在最簡(jiǎn)單的情況下，要求電路測量電池組中每節電池的電壓。這種測量一般是由一個(gè) AD 轉換器執行的，AD 轉換器將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器細致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時(shí)就不會(huì )超出一個(gè)嚴格的范圍，而超出這個(gè)范圍可能極大地縮短電池壽命。面對一個(gè)系統中可能有數百個(gè)單個(gè)電池的情況，一種集成式測量電路可以極大地節省組件數。凌力爾特公司提供的 LTC6802 就是這樣一種集成式功能構件。通過(guò)一個(gè)內置的 12 位 ADC，它可以測量和報告多達 12 節電池以及兩個(gè)溫度傳感器上的電壓。任何數量的電池都可以相互疊置，所測得的每一組（由 12 個(gè)電池組成）電壓串行傳送到一個(gè)主微控制器。這些測量器件和控制器形成了電池管理系統的核心。

　　對于延長(cháng)電池的可用壽命來(lái)說(shuō)，仔細控制每節電池的充電狀態(tài)是極其重要的，但是這也許還不足以讓要求越來(lái)越高的汽車(chē)客戶(hù)滿(mǎn)意。就敏感電子產(chǎn)品而言，汽車(chē)展現了一種嚴酷和危險的運行環(huán)境。要想無(wú)憂(yōu)無(wú)慮地獲得長(cháng)久滿(mǎn)意，對系統進(jìn)行“假設”分析是必要的。幾個(gè)要考慮的問(wèn)題也許是：

• 　　如果連接電池的一條導線(xiàn)斷開(kāi)了會(huì )怎么樣？
• 　　如果電壓測量準確度偏移會(huì )怎么樣？
• 　　如果內部寄存器位保持某個(gè)數值不變，總是指示一個(gè)良好的電池電壓讀數，會(huì )怎么樣？
• 　　如果測量 IC 不知怎么被嚴重的系統電壓瞬態(tài)損壞了，會(huì )怎么樣？

　　潛伏最深的問(wèn)題可能使控制器錯誤地確定，一節電池或一個(gè)電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)是，電池或電池組未以正確方法測量。之后，這些電池可能完全放電或被危險地過(guò)沖電，而系統卻一點(diǎn)兒都沒(méi)意識到。需要某個(gè)東西來(lái)“監視監視器”，以實(shí)現更高水平的可靠運行。

　　用 LTC6801 進(jìn)行電池管理系統 (BMS) 的故障監視

　　一種可替代完全冗余測量方法的方案是，將故障監視電路與測量器件并聯(lián)，以起到復核系統基本功能的作用。圖 1 電路顯示對一個(gè)由 12 個(gè)鋰離子電池組成的電池組實(shí)施的這種方案，該方案使用一個(gè) LTC6802 測量器件和一個(gè)伴隨的 LTC6801 故障監視器件。

圖 1：結合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。

LTC6802 提供準確的測量，而 LTC6801 檢查每節電池的過(guò)壓/欠壓狀態(tài)。

　　通過(guò)按照指令測量和報告每節電池的電壓，并將放電電流加到電池上以分配每節電池的電量，LTC6802-1 成為該系統中的主要電子組件。數據通過(guò) SPI 串行數據鏈路傳送到控制器。同時(shí)，LTC6801 還監視電池組中的每節電池。不用系統控制器的干預，LTC6801 就能周期性地對每節電池的電壓采樣，并執行簡(jiǎn)單的欠壓和過(guò)壓比較。如果所有情況都正常，那么 LTC6801 就在狀態(tài)輸出 (Status Output) 線(xiàn)上提供一個(gè)差分時(shí)鐘信號。如果有任何事情不正確，那么這個(gè)時(shí)鐘就停止。至于問(wèn)題的本質(zhì)，LTC6801 不提供任何信息，因為它只是指示某件事不正確。這個(gè)時(shí)鐘一旦停止，那么控制器就可以執行診斷程序，以確定出現了什么問(wèn)題。

　遠不止于一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器

　　LTC6801 的設計仔細考慮了很多潛在的系統故障，同時(shí)還具有易用性。一個(gè)重要的設計要求是，允許該器件自動(dòng)運作，而無(wú)需任何軟件。惟一的外部需求是電源 (由電池組本身提供) 和一個(gè)使能時(shí)鐘信號。沒(méi)有使能時(shí)鐘輸入，LTC6801 就停留在一種靜態(tài)低功率狀態(tài)，僅從電池組抽取幾 uA 的電流。該使能時(shí)鐘可以由系統控制器或任何其它振蕩源 (諸如 LTC6906 硅振蕩器) 提供。一接收到時(shí)鐘信號，該器件就自動(dòng)喚醒并開(kāi)始監視所有電池。

圖 2：LTC6801 的內部電路提供的不僅是簡(jiǎn)單的比較器功能

• 　　REGULATOR：穩壓器
• 　　MUX：多工器
• 　　REFERENCE：基準
• 　　SELF TEST REFERENCE：自測試基準
• 　　DIGITAL COMPARATORS：數字比較器
• 　　DECODER：解碼器
• 　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標記和控制邏輯
• 　　“GOOD”：“良好”

　　圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個(gè) 12 位增量累加 AD 轉換器 (ADC) 對多達 12 節電池以及兩個(gè)溫度傳感器的電壓進(jìn)行濾波和數字化。一個(gè) 5V 的穩壓器和一個(gè)精確微調的 3V ADC 電壓基準是內置的。器件全部工作特性的設定都由將器件引腳搭接到 5V 穩壓器、3V 基準或 V- 來(lái)實(shí)現。無(wú)需外部組件。

圖 3：電池電壓報警門(mén)限的選擇是通過(guò)引腳搭接設定的。