電動(dòng)/ 混合電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的可靠性

為電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 設計可靠的電池管理系統時(shí)，有一系列方法可以考慮。就實(shí)現可靠性而言，一種方法是采用完全冗余的電路，當然此時(shí)假定費用不成問(wèn)題。這類(lèi)系統使用完全一樣的電路并行執行相同的功能，并就結果進(jìn)行某種形式的表決，以總是獲得最安全的效果。在這類(lèi)系統中，如果檢測到故障電路，就自動(dòng)停止使用故障電路，并由一個(gè)同樣的備份電路取代該故障電路。然而，在有些系統中，故障的后果并不能用高昂成本的冗余電路來(lái)承擔。那么，這類(lèi)系統可能只依靠每個(gè)所用組件的內置可靠性。盡管能以最低成本提供具有這種特點(diǎn)的設計，但是這種設計有很大的風(fēng)險。不過(guò)，對這個(gè)問(wèn)題有一種最佳的解決辦法。

高可靠性系統的中庸解決之道是故障監視，采用這種辦法時(shí)，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異?，F象。既然故障可能在任何時(shí)間、在電路中的任何地方出現，因此監視的組件越多越好。對檢測到的故障的反應既可以是徹底的系統停機，也可以是類(lèi)似汽車(chē)中的報警燈之類(lèi)的簡(jiǎn)單服務(wù)告警。

實(shí)現更長(cháng)電池壽命的挑戰

鋰離子電池因高能量密度而廣受歡迎，與具有同等能量的其他化學(xué)組成的電池相比，由鋰離子電池組成的電池組會(huì )更小和更輕。就諸如電動(dòng)型汽車(chē)等大功率應用而言，數百個(gè)電池疊置在一起，以構成一個(gè)高壓電源，從而使較小的電流通過(guò)較細和重量較輕的配線(xiàn)。在這類(lèi)汽車(chē)應用中，駕駛員的安全是最重要的，接下來(lái)是車(chē)主的滿(mǎn)意度。因此，有強大的動(dòng)力驅使人們實(shí)現安全和可靠的長(cháng)期運行。為達到此目的，必須連續監視每一節電池上的電量，以在數年使用中一直保持最佳水平。

最簡(jiǎn)單的形式是，要求電路測量電池組中每節電池上的電壓。這種測量一般由一個(gè)模數轉換器 (ADC) 執行，該 ADC 將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器仔細管理所有電池的充電和放電，以使這些電池使用時(shí)不超出一個(gè)嚴格的范圍，因超出這個(gè)范圍可能極大地縮短電池的壽命。在系統中有數百個(gè)電池時(shí)，一個(gè)集成的測量電路可以極大地減少組件數量。凌力爾特公司的 LTC6802 就是這樣一種集成的功能構件，該器件通過(guò)一個(gè)內置的 12 位 ADC 測量多達 12 節電池的電壓。任何數量的電池都可以相互疊置，以 12 個(gè)電池為一組，將所測得的每組電壓串行傳送到一個(gè)主微控制器。這些組件構成了電池管理系統的核心。

就延長(cháng)電池的可用壽命而言，仔細控制每節電池的充電狀態(tài)非常重要，但是要滿(mǎn)足日益苛刻的汽車(chē)客戶(hù)的要求，這也許還不夠。要使客戶(hù)長(cháng)期滿(mǎn)意、無(wú)憂(yōu)無(wú)慮，對系統進(jìn)行“假設-結果”分析是必要的。要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：要是一條連接到電池的導線(xiàn)斷開(kāi)了會(huì )怎么樣？如果電壓測量準確度偏移了會(huì )怎么樣？要是測量 IC 不知怎么被系統電壓瞬態(tài)損壞了又會(huì )怎么樣?

大多數隱伏的故障都會(huì )使控制器認為電池或電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)上，電池沒(méi)有得到準確測量。然后，在沒(méi)有向系統提供警報的情況下，這些電池可能完全放電或被危險地過(guò)沖電。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。

BMS 故障監視

作為完全冗余測量方法的替代方法，故障監視電路與測量器件并聯(lián)連接，并起到對系統基本功能進(jìn)行復核的作用。圖 1 電路顯示了這種方法的電路實(shí)現，該電路采用 LTC6802 測量器件，用于一個(gè)由 12 節鋰離子電池組成的電池組，還采用了一個(gè)伴隨的 LTC6801 故障監視器件。

LTC6802-1 是系統中的主要電子器件，按照指令測量并報告每節電池的電壓，以及給電池加上放電電流以在每節電池上分配電量。同時(shí)，LTC6801 也監視電池組上的每節電池。不用系統控制器的干預，LTC6801 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。如果一切正常，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。如果有事情不對頭，這個(gè)時(shí)鐘就停止。它不提供有關(guān)問(wèn)題實(shí)質(zhì)的信息，它僅表明有些情況不太正常。這個(gè)時(shí)鐘一旦停止，控制器就可以執行診斷程序，以確定問(wèn)題的具體性質(zhì)。

LTC6801 在設計時(shí)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，允許該器件在沒(méi)有任何軟件的情況下自動(dòng)工作。惟一的外部要求是由電池組本身提供的電源，以及一個(gè)使能時(shí)鐘信號。如果沒(méi)有使能時(shí)鐘輸入，LTC6801 就停在靜態(tài)低功率狀態(tài)。該器件工作特性的所有設定都由器件引腳搭接完成，無(wú)需外部組件。

任何數量的 LTC6801 都可以相互疊置，以在電壓非常高的系統中監視數百個(gè)電池 (參見(jiàn)圖 2)。使能時(shí)鐘經(jīng)過(guò)緩沖，并且是在兩條信號線(xiàn)上輸出，這兩條信號線(xiàn)連接至這組器件中上一個(gè)器件的使能輸入。該使能時(shí)鐘在每個(gè)器件中進(jìn)出，一直到這組器件的頂端。類(lèi)似地，來(lái)自每個(gè)器件最重要的狀態(tài)輸出時(shí)鐘向下傳遞到這組器件中下一個(gè)器件的狀態(tài)輸入 (Status Input) 引腳。如果在任何時(shí)間、在電池組任何地方的任何電池上檢測到任何故障，監視問(wèn)題電池的那個(gè)器件的狀態(tài)時(shí)鐘就停止觸發(fā)。這種靜止狀態(tài)將沿著(zhù)這組器件一直傳遞到最底端的器件。時(shí)鐘轉換停止后，這個(gè)器件就可以發(fā)出檢修故障的信號。

為狀態(tài)線(xiàn)提供連續時(shí)鐘是一種重要的功能。在指示系統中是否一切正常時(shí)，標記任何系統故障的靜態(tài)邏輯電平都有可能出現錯誤的邏輯狀態(tài)。這會(huì )使故障監視方案失去作用。采用時(shí)鐘機制，監視器件必須連續工作，以保持時(shí)鐘運行，而且系統中一切都必須正常，否則它就停止。故障信號不可能固定在一切正常狀態(tài)。

監視器件的問(wèn)題

毫無(wú)疑問(wèn)，通過(guò)冗余監視提高了系統的可靠性，但是怎樣才能確保監視器件本身正常工作呢？防止不可檢測的故障模式是非常重要的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，LTC6801 提供一種內置的自動(dòng)自測試功能。該自測試功能可在每 1024 個(gè)測試周期后自動(dòng)執行。這種自測試檢查 4 種主要功能。

檢查 ADC、電壓基準和比較器是否正常工作是測試內容之一。檢查內部基準電壓以確保它處于嚴格的窗口之內。另外，欠壓和過(guò)壓狀態(tài)也是內部產(chǎn)生的，比較器必須有響應。這樣就可以有把握地保證 ADC 的模擬部分工作正常，而且同樣有把握的是，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。兩個(gè)測試信號強制 12 位輸出編碼為 0xAAA 或 0x555，在 1 和 0 之間交替變化。這樣就可以確認，沒(méi)有 ADC 位被固定。

多路復用器開(kāi)關(guān)故障可能導致一節或多節電池被跳過(guò)，而其他電池則被反復測量。跳過(guò)電池意味著(zhù)，壞電池可能未檢測到。自測試確保每節電池都得到測量，或每個(gè)錯誤都得到標記。

第四個(gè)非常重要的自測試功能決定是否有電池連接是開(kāi)路的。就這項測試而言，每節電池都用很小的 100uA 下拉電流進(jìn)行測量，就一個(gè)開(kāi)路的電池連接而言，該電流將產(chǎn)生誤差。這種周期性的自測試使系統能更加可靠地運行。檢查正在執行檢查功能的器件，能更加肯定系統中一切正常。

在系統中保持所有電池都處于恰當的充電水平，將使昂貴電池組的服務(wù)時(shí)間延長(cháng)數年。LTC6801 是一種經(jīng)濟實(shí)惠的方式，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 與更精準的電池測量系統并聯(lián)運行，提供了一種復核功能，可檢查是否所有系統組件都在正常運行，從而增強了安全性和可靠性。