利用LTC6801進(jìn)行電池管理系統 的故障監視

　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。

　　單獨的引腳控制 OV 和 LV 門(mén)限，這樣它們就可以獨立設定。

　　Cell Voltage Thresholds：電池電壓門(mén)限

　　Cell Voltage：電池電壓

　　Pin Strap Programming Voltage Combinations：引腳搭接設定電壓組合

　　圖 3 繪出的是可設定的過(guò)壓和欠壓門(mén)限范圍。選擇過(guò)壓 (OV) 門(mén)限是為了使用具有3.3V 標稱(chēng)電壓和 4.2V 告警電平的鋰離子電池，而欠壓 (UV) 門(mén)限對電池電量耗盡提供一個(gè)合理的指示。OV 和 UV 門(mén)限由不同的引腳設定，因此任何組合都有可能。OV 和 UV 電平必須設定，以在不是太接近正常電池電壓時(shí)，就可指示某件事可能出錯了，否則有可能引起故障檢測電路出現討厭的跳變。

　　還有可能給這些門(mén)限設定高達 500mV 的固定遲滯。當檢測到的故障觸發(fā)的動(dòng)作有可能引起電池上的電壓變化時(shí)，如立即斷開(kāi)負載與電池組的連接，設定固定遲滯很有用。遲滯可以防止跳進(jìn)和跳出故障狀態(tài)。

　　另外兩個(gè)可以通過(guò)引腳搭接設定的功能是，電池檢查的重復率以及所連接的電池數量。所有 12 節電池以及溫度輸入都可以每隔 15ms、130ms 或 500ms 檢查一次。較小的占空比導致從電池組抽取的電源電流較小。電池數量可以在 4 節到 12 節之間設定。這確保只對實(shí)際連接的電池進(jìn)行故障檢測。

　　可以將任意數目的 LTC6801 彼此堆疊起來(lái)，以監視非常高電壓系統中數百個(gè)單獨的電池，見(jiàn)圖 4。啟用時(shí)鐘被緩沖，兩條信號線(xiàn)上的輸出連接到電池組中下一個(gè)較高端器件的使能輸入。啟用時(shí)鐘蜿蜒地進(jìn)出每個(gè)器件，一直到電池組的頂端。同樣，每個(gè)器件非常重要的狀態(tài)輸出時(shí)鐘向下傳遞至電池組中下一個(gè)較低端器件的狀態(tài)輸入引腳。狀態(tài)時(shí)鐘的頻率與啟用時(shí)鐘相同，并可位于 2kHz 至 50kHz 之間。如果任何時(shí)間在任何電池組的任何地方檢測到任何故障，則負責監視受損電池的器件的狀態(tài)時(shí)鐘將停止電平變換。該靜態(tài)條件將沿著(zhù)電池組向下傳播至底端器件。運用某種形式的邊緣檢測的任何器件 (例如：看門(mén)狗定時(shí)器或計數器捕獲/比較功能部件) 均可用于監視電池組中底端器件的狀態(tài)輸出線(xiàn)。當某個(gè)時(shí)鐘轉換被錯過(guò)時(shí)，該器件能夠產(chǎn)生信號以對一般性故障進(jìn)行維修。

圖 4：任何數量的 LTC6801 電池監視器都可以疊置。

　　由于疊置的器件工作電壓不同，因此需要 AC 耦合使能和狀態(tài)信號。

　　提供一個(gè)用于狀態(tài)線(xiàn)的連續時(shí)鐘是一項重要的功能。使用一種靜態(tài)邏輯電平來(lái)指示所有的系統故障始終有可能在邏輯狀態(tài)中產(chǎn)生失效，這種失效會(huì )錯誤地指示系統一切正常。這將導致故障監視電路失去作用。當采用一種定時(shí)方案時(shí)，監視器件必須連續執行某些操作以保持時(shí)鐘的運行，而且系統的一切都必須處于正確的狀態(tài)，否則它將停止運作。在正常 (OK) 狀態(tài)中，故障信號不會(huì )被“阻塞”。為了增強抗邏輯噪聲性能，需沿著(zhù)電池組上下地對 LTC6801 進(jìn)行差分定時(shí)。對于高電壓電池組，常常需要提供針對控制器電源的隔離。當采用差分時(shí)鐘信號時(shí)，增設隔離變壓器是相當容易的。這是器件設計中另一項旨在強化容錯/安全性的考慮。

　　如果監視器件有問(wèn)題會(huì )怎么樣?

　　毫無(wú)疑問(wèn)，通過(guò)冗余監視提高了系統可靠性，但是怎樣才能確保監視器件本身正確運行呢?要防止不可檢測的故障模式，這一點(diǎn)非常重要。為了滿(mǎn)足這種要求，LTC6801 提供內置的自動(dòng)自測試功能。這種自測試功能可以按需啟動(dòng)，或者在每完成 1024 個(gè)電池測試周期后自動(dòng)執行，自動(dòng)測試用 17ms 時(shí)間就可以結束。圖 2 的電路顯示，可以怎樣連接 LTC6802-1 器件，以允許按需運行自測試功能。一個(gè)單獨的輸出引腳提供的信號表明該器件是否執行了所有自測試功能，而且不中斷電池狀態(tài)輸出時(shí)鐘。自測試檢查 4 個(gè)主要功能。

　　測試內容之一是，檢查 ADC、電壓基準和比較器是否正確運行。為了進(jìn)行這一測試，要對第二個(gè)內部電壓基準測量 3 次。第一次測量在一個(gè)嚴格的窗口內比較該基準與兩個(gè)門(mén)限值，而且絕不能產(chǎn)生超出范圍的指示。接著(zhù)，將較高的門(mén)限值降至一個(gè)僅低于所期望的電壓值，進(jìn)行第二次電壓基準測量，這時(shí)比較器應該產(chǎn)生一個(gè)過(guò)壓指示。最后，較低的門(mén)限設定為高于所期望的電壓，這時(shí)應該產(chǎn)生一個(gè)欠壓指示。這樣就可以有把握地確定，ADC 的模擬部分工作正常，而且比較門(mén)限可以改變并且是準確的。

　　ADC 的數字部分也要測試。應用兩個(gè)測試信號，將產(chǎn)生由交替的“1”和“0”組成的數字輸出讀數。12 位輸出代碼將是 0xAAA 或 0x555。這證實(shí)沒(méi)有 ADC 輸出位固定在高或低電平上。

　　連接電池的高壓多工器也要測試。如果開(kāi)關(guān)的地址解碼器出現故障，那么一節或多節電池有可能被跳過(guò)，而其它電池則被重復測量。跳過(guò)電池會(huì )意味著(zhù)，壞電池可能未被檢測到。其它多工器故障 (例如同時(shí)選擇多節電池或開(kāi)關(guān)輸入之間短路) 會(huì )至少在一節電池輸入通道上產(chǎn)生過(guò)壓或欠壓指示。這種自測試確保每節電池都得到測量，或確保將錯誤被標記出來(lái)。

　　第四個(gè)非常重要的自測試功能確定是否有電池連接是開(kāi)路的。就這項測試而言，對每節電池都用一個(gè)連接到電池每一端的 100uA 小吸收電流進(jìn)行測量。如果連接到電池的導線(xiàn)開(kāi)路，那么用于這節電池的 ADC 電壓輸入將被吸收電流拉低。對開(kāi)路導線(xiàn)之上的下一節電池的測量，將產(chǎn)生過(guò)壓指示并被標記出來(lái)。

　　這種周期性的自測試增強了系統運行的可靠性。通過(guò)檢查執行檢查功能的器件，可以更有把握地確定，所有事情都處于良好運行狀態(tài)。

　　粗略的溫度輸入

　　在了解每節電池的充電狀態(tài)時(shí)，鋰離子電池的工作溫度是一個(gè)重要因素。溫度由LTC6802-1 等電池管理器件準確測量。故障監視器件 LTC6801 還有兩個(gè)粗略的溫度輸入。這些讀數之所以是粗略的，是因為到溫度引腳的電壓輸入只是簡(jiǎn)單地與 VREF/2 或 1.5V 門(mén)限作了比較。如果輸入電壓高于 1.5V，那么就被認為狀態(tài)良好，如果輸入低于該門(mén)限，就被認為出現了故障。以圖 5 所示的分壓器形式安置諸如熱敏電阻等溫度傳感器和電阻器，可以形成簡(jiǎn)單的溫度過(guò)高/過(guò)低監視功能。如果環(huán)境溫度或特定的溫度點(diǎn)超出了預定的范圍，那么狀態(tài)輸出時(shí)鐘就中斷，所采用的方法與發(fā)生電池電壓故障時(shí)所用方法相同。

圖 5：粗略溫度檢測有可能通過(guò)到內部電壓比較器的兩個(gè)溫度輸入引腳完成。

　　這個(gè)例子在 -20°C 至 +60°C 的窗口中監視系統工作溫度。如果超出溫度限制，就標記出錯。

　　結論

　　在系統中保持所有電池有正確的電量將延長(cháng)昂貴的電池組的使用年限。在諸如電動(dòng)型汽車(chē)等汽車(chē)系統以及不中斷電源備份系統中，這對獲得客戶(hù)滿(mǎn)意極其重要。采用 LTC6801 是一種經(jīng)濟實(shí)惠的方式，它可通過(guò)冗余故障監視改善鋰離子電池管理系統的長(cháng)期可靠性。LTC6801 與更準確的電池管理系統一起運行，可提供一種復核功能，復核所有系統組件是否正常運行。如果運作失常，就會(huì )提供一個(gè)標記，以啟動(dòng)解決問(wèn)題的程序。這有助于給最終產(chǎn)品的可靠性增加安全性，這么做永遠都不是壞事。