電動/ 混合電動汽車電池管理系統(tǒng)的可靠性

為電動汽車 (EV) 和混合電動汽車 (HEV) 設(shè)計(jì)可靠的電池管理系統(tǒng)時(shí)，有一系列方法可以考慮。就實(shí)現(xiàn)可靠性而言，一種方法是采用完全冗余的電路，當(dāng)然此時(shí)假定費(fèi)用不成問題。這類系統(tǒng)使用完全一樣的電路并行執(zhí)行相同的功能，并就結(jié)果進(jìn)行某種形式的表決，以總是獲得最安全的效果。在這類系統(tǒng)中，如果檢測到故障電路，就自動停止使用故障電路，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(tǒng)中，故障的后果并不能用高昂成本的冗余電路來承擔(dān)。那么，這類系統(tǒng)可能只依靠每個(gè)所用組件的內(nèi)置可靠性。盡管能以最低成本提供具有這種特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，但是這種設(shè)計(jì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)。不過，對這個(gè)問題有一種最佳的解決辦法。

高可靠性系統(tǒng)的中庸解決之道是故障監(jiān)視，采用這種辦法時(shí)，電路監(jiān)視各種不同的系統(tǒng)組件，并報(bào)告任何異常現(xiàn)象。既然故障可能在任何時(shí)間、在電路中的任何地方出現(xiàn)，因此監(jiān)視的組件越多越好。對檢測到的故障的反應(yīng)既可以是徹底的系統(tǒng)停機(jī)，也可以是類似汽車中的報(bào)警燈之類的簡單服務(wù)告警。

實(shí)現(xiàn)更長電池壽命的挑戰(zhàn)

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更小和更輕。就諸如電動型汽車等大功率應(yīng)用而言，數(shù)百個(gè)電池疊置在一起，以構(gòu)成一個(gè)高壓電源，從而使較小的電流通過較細(xì)和重量較輕的配線。在這類汽車應(yīng)用中，駕駛員的安全是最重要的，接下來是車主的滿意度。因此，有強(qiáng)大的動力驅(qū)使人們實(shí)現(xiàn)安全和可靠的長期運(yùn)行。為達(dá)到此目的，必須連續(xù)監(jiān)視每一節(jié)電池上的電量，以在數(shù)年使用中一直保持最佳水平。

最簡單的形式是，要求電路測量電池組中每節(jié)電池上的電壓。這種測量一般由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 執(zhí)行，該 ADC 將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器仔細(xì)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(yán)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(tǒng)中有數(shù)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(shù)量。凌力爾特公司的 LTC6802 就是這樣一種集成的功能構(gòu)件，該器件通過一個(gè)內(nèi)置的 12 位 ADC 測量多達(dá) 12 節(jié)電池的電壓。任何數(shù)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(gòu)成了電池管理系統(tǒng)的核心。

就延長電池的可用壽命而言，仔細(xì)控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)非常重要，但是要滿足日益苛刻的汽車客戶的要求，這也許還不夠。要使客戶長期滿意、無憂無慮，對系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)-結(jié)果”分析是必要的。要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問題是：要是一條連接到電池的導(dǎo)線斷開了會怎么樣？如果電壓測量準(zhǔn)確度偏移了會怎么樣？要是測量 IC 不知怎么被系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了又會怎么樣?

大多數(shù)隱伏的故障都會使控制器認(rèn)為電池或電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)上，電池沒有得到準(zhǔn)確測量。然后，在沒有向系統(tǒng)提供警報(bào)的情況下，這些電池可能完全放電或被危險(xiǎn)地過沖電。需要某個(gè)東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”，以實(shí)現(xiàn)更高水平的可靠運(yùn)行。

BMS 故障監(jiān)視

作為完全冗余測量方法的替代方法，故障監(jiān)視電路與測量器件并聯(lián)連接，并起到對系統(tǒng)基本功能進(jìn)行復(fù)核的作用。圖 1 電路顯示了這種方法的電路實(shí)現(xiàn)，該電路采用 LTC6802 測量器件，用于一個(gè)由 12 節(jié)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(jiān)視器件。

LTC6802-1 是系統(tǒng)中的主要電子器件，按照指令測量并報(bào)告每節(jié)電池的電壓，以及給電池加上放電電流以在每節(jié)電池上分配電量。同時(shí)，LTC6801 也監(jiān)視電池組上的每節(jié)電池。不用系統(tǒng)控制器的干預(yù)，LTC6801 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。如果一切正常，那么 LTC6801 就在狀態(tài)輸出 (Status Output) 線上提供一個(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(zhí)行診斷程序，以確定問題的具體性質(zhì)。

LTC6801 在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時(shí)還具有易用性。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求是，允許該器件在沒有任何軟件的情況下自動工作。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(shè)定都由器件引腳搭接完成，無需外部組件。

任何數(shù)量的 LTC6801 都可以相互疊置，以在電壓非常高的系統(tǒng)中監(jiān)視數(shù)百個(gè)電池 (參見圖 2)。使能時(shí)鐘經(jīng)過緩沖，并且是在兩條信號線上輸出，這兩條信號線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。類似地，來自每個(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(jiān)視問題電池的那個(gè)器件的狀態(tài)時(shí)鐘就停止觸發(fā)。這種靜止?fàn)顟B(tài)將沿著這組器件一直傳遞到最底端的器件。時(shí)鐘轉(zhuǎn)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)線提供連續(xù)時(shí)鐘是一種重要的功能。在指示系統(tǒng)中是否一切正常時(shí)，標(biāo)記任何系統(tǒng)故障的靜態(tài)邏輯電平都有可能出現(xiàn)錯誤的邏輯狀態(tài)。這會使故障監(jiān)視方案失去作用。采用時(shí)鐘機(jī)制，監(jiān)視器件必須連續(xù)工作，以保持時(shí)鐘運(yùn)行，而且系統(tǒng)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(jiān)視器件的問題

毫無疑問，通過冗余監(jiān)視提高了系統(tǒng)的可靠性，但是怎樣才能確保監(jiān)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)問題，LTC6801 提供一種內(nèi)置的自動自測試功能。該自測試功能可在每 1024 個(gè)測試周期后自動執(zhí)行。這種自測試檢查 4 種主要功能。

檢查 ADC、電壓基準(zhǔn)和比較器是否正常工作是測試內(nèi)容之一。檢查內(nèi)部基準(zhǔn)電壓以確保它處于嚴(yán)格的窗口之內(nèi)。另外，欠壓和過壓狀態(tài)也是內(nèi)部產(chǎn)生的，比較器必須有響應(yīng)。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，比較門限可以改變并且是準(zhǔn)確的。

ADC 的數(shù)字部分也要測試。兩個(gè)測試信號強(qiáng)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(rèn)，沒有 ADC 位被固定。

多路復(fù)用器開關(guān)故障可能導(dǎo)致一節(jié)或多節(jié)電池被跳過，而其他電池則被反復(fù)測量。跳過電池意味著，壞電池可能未檢測到。自測試確保每節(jié)電池都得到測量，或每個(gè)錯誤都得到標(biāo)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路的。就這項(xiàng)測試而言，每節(jié)電池都用很小的 100uA 下拉電流進(jìn)行測量，就一個(gè)開路的電池連接而言，該電流將產(chǎn)生誤差。這種周期性的自測試使系統(tǒng)能更加可靠地運(yùn)行。檢查正在執(zhí)行檢查功能的器件，能更加肯定系統(tǒng)中一切正常。

在系統(tǒng)中保持所有電池都處于恰當(dāng)?shù)某潆娝?，將使昂貴電池組的服務(wù)時(shí)間延長數(shù)年。LTC6801 是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式，可通過冗余故障監(jiān)視改善鋰離子電池管理系統(tǒng)的長期可靠性。LTC6801 與更精準(zhǔn)的電池測量系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，提供了一種復(fù)核功能，可檢查是否所有系統(tǒng)組件都在正常運(yùn)行，從而增強(qiáng)了安全性和可靠性。