在非完美電池管理系統(tǒng)中的故障監(jiān)視

引言

　　想想那句稱為“墨菲定律”的古老格言：“凡是可能出錯的事情均會出錯。”。在過去50年中，基于電子組件的系統(tǒng)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(jiān)視和控制功能。擔(dān)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(dǎo)致的高額損失和產(chǎn)品用戶對滿意度的下降。不過，事物從來都不是完美的，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(tǒng)。

　　當(dāng)系統(tǒng)可靠性必須保證而別無選擇時，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執(zhí)行相同的功能，而且對執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行某種形式的表決以始終產(chǎn)生最安全的效果。在很多這類系統(tǒng)中，如果檢測到有故障的電路，那么就自動去掉該電路，并用一個相同的備份電路代替。對于長期可靠運(yùn)行來說，這是理想的拓?fù)?。另一方面?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/故障">故障的后果并不總能證明完全冗余導(dǎo)致的高額費(fèi)用是合理的。這類系統(tǒng)只是依靠所使用的每一個組件固有的可靠性。單個組件故障可能嚴(yán)重毀壞系統(tǒng)或永久損害準(zhǔn)確度。具有這種性質(zhì)的設(shè)計假定存在大量風(fēng)險，但是能以最低成本實現(xiàn)。

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

　　本文將闡述如何通過使用 LTC6801 故障監(jiān)視 IC，提高一種高壓鋰離子電池組的長期可靠性。在電動型汽車、不中斷電源、醫(yī)療儀器甚至電動工具等應(yīng)用中，用電池作電源是一種持續(xù)不斷的發(fā)展趨勢，這些應(yīng)用每種都有不同程度的可靠性預(yù)期。

　　長壽命電池電源面臨的挑戰(zhàn)

　　對于電動車和大量其它類型的便攜式設(shè)備來說，電池已經(jīng)成為一種主要的非傳統(tǒng)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(yīng)用來說，如電動型汽車，需要疊置數(shù)百個電池以形成一個高壓電源，這種電源產(chǎn)生更小的電流，可使用更細(xì)和重量更輕的導(dǎo)線。在這類汽車應(yīng)用中，駕駛員的安全是第一位的，接下來是車主的滿意度。因此，實現(xiàn)安全可靠的長期運(yùn)行有顯而易見的理由。為達(dá)到這個目的，每節(jié)電池的電量都必須得到持續(xù)監(jiān)視，以在多年使用的情況下保持最佳水平。

　　在最簡單的情況下，要求電路測量電池組中每節(jié)電池的電壓。這種測量一般是由一個 AD 轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的，AD 轉(zhuǎn)換器將信息傳遞給一個微控制器。該控制器細(xì)致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時就不會超出一個嚴(yán)格的范圍，而超出這個范圍可能極大地縮短電池壽命。面對一個系統(tǒng)中可能有數(shù)百個單個電池的情況，一種集成式測量電路可以極大地節(jié)省組件數(shù)。凌力爾特公司提供的 LTC6802 就是這樣一種集成式功能構(gòu)件。通過一個內(nèi)置的 12 位 ADC，它可以測量和報告多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個溫度傳感器上的電壓。任何數(shù)量的電池都可以相互疊置，所測得的每一組（由 12 個電池組成）電壓串行傳送到一個主微控制器。這些測量器件和控制器形成了電池管理系統(tǒng)的核心。

　　對于延長電池的可用壽命來說，仔細(xì)控制每節(jié)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越高的汽車客戶滿意。就敏感電子產(chǎn)品而言，汽車展現(xiàn)了一種嚴(yán)酷和危險的運(yùn)行環(huán)境。要想無憂無慮地獲得長久滿意，對系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)”分析是必要的。幾個要考慮的問題也許是：

• 　　如果連接電池的一條導(dǎo)線斷開了會怎么樣？
• 　　如果電壓測量準(zhǔn)確度偏移會怎么樣？
• 　　如果內(nèi)部寄存器位保持某個數(shù)值不變，總是指示一個良好的電池電壓讀數(shù)，會怎么樣？
• 　　如果測量 IC 不知怎么被嚴(yán)重的系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了，會怎么樣？

　　潛伏最深的問題可能使控制器錯誤地確定，一節(jié)電池或一個電池組處于完美狀態(tài)，而事實是，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沖電，而系統(tǒng)卻一點兒都沒意識到。需要某個東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”，以實現(xiàn)更高水平的可靠運(yùn)行。

　　用 LTC6801 進(jìn)行電池管理系統(tǒng) (BMS) 的故障監(jiān)視

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

圖 1：結(jié)合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。

LTC6802 提供準(zhǔn)確的測量，而 LTC6801 檢查每節(jié)電池的過壓/欠壓狀態(tài)。

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

　遠(yuǎn)不止于一個簡單的比較器

　　LTC6801 的設(shè)計仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時還具有易用性。一個重要的設(shè)計要求是，允許該器件自動運(yùn)作，而無需任何軟件。惟一的外部需求是電源 (由電池組本身提供) 和一個使能時鐘信號。沒有使能時鐘輸入，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。該使能時鐘可以由系統(tǒng)控制器或任何其它振蕩源 (諸如 LTC6906 硅振蕩器) 提供。一接收到時鐘信號，該器件就自動喚醒并開始監(jiān)視所有電池。

圖 2：LTC6801 的內(nèi)部電路提供的不僅是簡單的比較器功能

• 　　REGULATOR：穩(wěn)壓器
• 　　MUX：多工器
• 　　REFERENCE：基準(zhǔn)
• 　　SELF TEST REFERENCE：自測試基準(zhǔn)
• 　　DIGITAL COMPARATORS：數(shù)字比較器
• 　　DECODER：解碼器
• 　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標(biāo)記和控制邏輯
• 　　“GOOD”：“良好”

　　圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個 12 位增量累加 AD 轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個溫度傳感器的電壓進(jìn)行濾波和數(shù)字化。一個 5V 的穩(wěn)壓器和一個精確微調(diào)的 3V ADC 電壓基準(zhǔn)是內(nèi)置的。器件全部工作特性的設(shè)定都由將器件引腳搭接到 5V 穩(wěn)壓器、3V 基準(zhǔn)或 V- 來實現(xiàn)。無需外部組件。

圖 3：電池電壓報警門限的選擇是通過引腳搭接設(shè)定的。