關于長壽命電池電源面對的挑戰(zhàn)

關于電動汽車和大量其它類型的便攜式設備來說，電池已經(jīng)成為一種重要的非傳統(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。關于大功率應用來說，如電動型汽車，要疊置數(shù)百個電池以形成一個高壓電源，這種電源出現(xiàn)更小的電流，可使用更細和重量更輕的導線。在這類汽車應用中，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)安全可靠的長期運行有顯而易見的理由。為達到這個目的，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轉換器執(zhí)行的，AD轉換器將信息傳遞給一個微控制器。該控制器細致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時就不會超出一個嚴格的范圍，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)。凌力爾特公司供應的LTC6802就是這樣一種集成式功能構件。通過一個內置的12位ADC，它可以測量和報告多達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。

關于延長電池的可用壽命來說，仔細控制每節(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)了一種嚴酷和危險的運行環(huán)境。要想無憂無慮地獲得長久滿意，對系統(tǒng)進行“假設”分析是必要的。幾個要考慮的問題也許是：

1.假如連接電池的一條導線斷開了會怎么樣?

2.假如電壓測量準確度偏移會怎么樣?

3.假如內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?

4.假如測量IC不知怎么被嚴重的系統(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。要某個東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”，以實現(xiàn)更高水平的可靠運行。

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

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

圖1：結合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。

LTC6802供應準確的測量，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)中的重要電子組件。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，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。假如所有情況都正常，那么LTC6801就在狀態(tài)輸出(StatusOutput)線上供應一個差分時鐘信號。假如有任何事情不正確，那么這個時鐘就停止。至于問題的本質，LTC6801不供應任何信息，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。

遠不止于一個簡單的比較器

LTC6801的設計仔細考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時還具有易用性。一個重要的設計要求是，允許該器件自動運作，而無需任何軟件。惟一的外部需求是電源(由電池組本身供應)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)供應。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的內部電路供應的不僅是簡單的比較器功能

REGULATOR：穩(wěn)壓器

MUX：多工器

REFERENCE：基準

SELFTESTREFERENCE：自測試基準

DIGITALCOMpARATORS：數(shù)字比較器

DECODER：解碼器

UV/OVFLAGSANDCONTROLLOGIC：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12位增量累加AD轉換器(ADC)對多達12節(jié)電池以及兩個溫度傳感器的電壓進行濾波和數(shù)字化。一個5V的穩(wěn)壓器和一個精確微調的3VADC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(wěn)壓器、3V基準或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定的。

單獨的引腳控制OV和LV門限，這樣它們就可以獨立設定。

CellVoltageThresholds：電池電壓門限

CellVoltage：電池電壓

pinStrapprogrammingVoltageCombinations：引腳搭接設定電壓組合

圖3繪出的是可設定的過壓和欠壓門限范圍。選擇過壓(OV)門限是為了使用具有3.3V標稱電壓和4.2V告警電平的鋰離子電池，而欠壓(UV)門限對電池電量耗盡供應一個合理的指示。OV和UV門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，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(xiàn)討厭的跳變。

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

另外兩個可以通過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(shù)量。所有12節(jié)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(shù)量可以在4節(jié)到12節(jié)之間設定。這確保只對實際連接的電池進行故障檢測。

可以將任意數(shù)目的LTC6801彼此堆疊起來，以監(jiān)視非常高電壓系統(tǒng)中數(shù)百個單獨的電池，見圖4。啟用時鐘被緩沖，兩條信號線上的輸出連接到電池組中下一個較高端器件的使能輸入。啟用時鐘蜿蜒地進出每個器件，一直到電池組的頂端。同樣，每個器件非常重要的狀態(tài)輸出時鐘向下傳遞至電池組中下一個較低端器件的狀態(tài)輸入引腳。狀態(tài)時鐘的頻率與啟用時鐘相同，并可位于2kHz至50kHz之間。假如任何時間在任何電池組的任何地方檢測到任何故障，則負責監(jiān)視受損電池的器件的狀態(tài)時鐘將停止電平變換。該靜態(tài)條件將沿著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：看門狗按時器或計數(shù)器捕獲/比較功能部件)均可用于監(jiān)視電池組中底端器件的狀態(tài)輸出線。當某個時鐘轉換被錯過時，該器件能夠出現(xiàn)信號以對一般性故障進行維修。

圖4：任何數(shù)量的LTC6801電池監(jiān)視器都可以疊置。

由于疊置的器件工作電壓不同，因此要AC耦合使能和狀態(tài)信號。

供應一個用于狀態(tài)線的持續(xù)時鐘是一項重要的功能。使用一種靜態(tài)邏輯電平來指示所有的系統(tǒng)故障始終有可能在邏輯狀態(tài)中出現(xiàn)失效，這種失效會錯誤地指示系統(tǒng)一切正常。這將導致故障監(jiān)視電路失去用途。當采用一種按時方法時，監(jiān)視器件必須持續(xù)執(zhí)行某些操作以保持時鐘的運行，而且系統(tǒng)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，故障信號不會被“阻塞”。為了增強抗邏輯噪聲性能，需沿著電池組上下地對LTC6801進行差分按時。關于高電壓電池組，常常要供應針對控制器電源的隔離。當采用差分時鐘信號時，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。

假如監(jiān)視器件有問題會怎么樣?

毫無疑問，通過冗余監(jiān)視提高了系統(tǒng)可靠性，但是怎么樣才能確保監(jiān)視器件本身正確運行呢?要防止不可檢測的故障模式，這一點非常重要。為了滿足這種要求，LTC6801供應內置的自動自測試功能。這種自測試功能可以按需啟動，或者在每完成1024個電池測試周期后自動執(zhí)行，自動測試用17ms時間就可以結束。圖2的電路顯示，可以怎么樣連接LTC6802-1器件，以允許按需運行自測試功能。一個單獨的輸出引腳供應的信號表明該器件是否執(zhí)行了所有自測試功能，而且不中斷電池狀態(tài)輸出時鐘。自測試檢查4個重要功能。

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

ADC的數(shù)字部分也要測試。應用兩個測試信號，將出現(xiàn)由交替的“1”和“0”組成的數(shù)字輸出讀數(shù)。12位輸出代碼將是0xAAA或0x555。這證實沒有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。假如開關的地址解碼器出現(xiàn)故障，那么一節(jié)或多節(jié)電池有可能被跳過，而其它電池則被重復測量。跳過電池會意味著，壞電池可能未被檢測到。其它多工器故障(例如同時選擇多節(jié)電池或開關輸入之間短路)會至少在一節(jié)電池輸入通道上出現(xiàn)過壓或欠壓指示。這種自測試確保每節(jié)電池都得到測量，或確保將錯誤被標記出來。

第四個非常重要的自測試功能確定是否有電池連接是開路的。就這項測試而言，對每節(jié)電池都用一個連接到電池每一端的100uA小吸收電流進行測量。假如連接到電池的導線開路，那么用于這節(jié)電池的ADC電壓輸入將被吸收電流拉低。對開路導線之上的下一節(jié)電池的測量，將出現(xiàn)過壓指示并被標記出來。

這種周期性的自測試增強了系統(tǒng)運行的可靠性。通過檢查執(zhí)行檢查功能的器件，可以更加有把握地確定，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(jié)電池的充電狀態(tài)時，鋰離子電池的工作溫度是一個重要因素。溫度由LTC6802-1等電池管理器件準確測量。故障監(jiān)視器件LTC6801還有兩個粗略的溫度輸入。這些讀數(shù)之所以是粗略的，是因為到溫度引腳的電壓輸入只是簡單地與VREF/2或1.5V門限作了比較。假如輸入電壓高于1.5V，那么就被認為狀態(tài)良好，假如輸入低于該門限，就被認為出現(xiàn)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，可以形成簡單的溫度過高/過低監(jiān)視功能。假如環(huán)境溫度或特定的溫度點超出了預定的范圍，那么狀態(tài)輸出時鐘就中斷，所采用的方法與發(fā)生電池電壓故障時所用方法相同。

圖5：粗略溫度檢測有可能通過到內部電壓比較器的兩個溫度輸入引腳完成。

這個例子在-20°C至+60°C的窗口中監(jiān)視系統(tǒng)工作溫度。假如超出溫度限制，就標記出錯。

結論

在系統(tǒng)中保持所有電池有正確的電量將延長昂貴的電池組的使用年限。在諸如電動型汽車等汽車系統(tǒng)以及不中斷電源備份系統(tǒng)中，這對獲得客戶滿意極其重要。采用LTC6801是一種經(jīng)濟實惠的方式，它可通過冗余故障監(jiān)視改善鋰離子電池管理系統(tǒng)的長期可靠性。LTC6801與更準確的電池管理系統(tǒng)一起運行，可供應一種復核功能，復核所有系統(tǒng)組件是否正常運行。假如運作失常，就會供應一個標記，以啟動解決問題的程序。這有助于給最終產(chǎn)品的可靠性新增安全性，這么做永遠都不是壞事。