鉅大LARGE | 點擊量：1064次 | 2019年08月19日
在非完美電池管理系統(tǒng)中的故障監(jiān)視
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，已經能夠以非凡的高可靠性提供非常先進的監(jiān)視和控制功能。擔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致的高額損失和產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，以產生安全、耐久的電子系統(tǒng)。
當系統(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)行結果進行某種形式的表決以始終產生最安全的效果。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。對于長期可靠運行來說，這是理想的拓撲。另一方面，故障的后果并不總能證明完全冗余導致的高額費用是合理的。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重毀壞系統(tǒng)或永久損害準確度。具有這種性質的設計假定存在大量風險，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會是多種多樣的，從系統(tǒng)完全停機(例如：火車上的常閉式緊急停車開關)到某種簡單的服務報警(類似于汽車中儀表板上的“傻瓜燈”)等等。
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備來說，電池已經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，這種電源產生更小的電流，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。
對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：
如果連接電池的一條導線斷開了會怎么樣？
如果電壓測量準確度偏移會怎么樣？
如果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？
如果測量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。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案是，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。
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，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(StatusOutput)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，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。
遠不止于一個簡單的比較器
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”
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提供一個合理的指示。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。如果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：看門狗定時器或計數(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，該器件能夠產生信號以對一般性故障進行維修。
提供一個用于狀態(tài)線的連續(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)中產生失效，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)視電路失去作用。當采用一種定時方案時，監(jiān)視器件必須連續(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進行差分定時。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。
如果監(jiān)視器件有問題會怎么樣？
連接電池的高壓多工器也要測試。如果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)電池輸入通道上產生過壓或欠壓指示。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。如果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，將產生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
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，可提供一種復核功能，復核所有系統(tǒng)組件是否正常運行。如果運作失常，就會提供一個標記，以啟動解決問題的程序。這有助于給最終產品的可靠性增加安全性，這么做永遠都不是壞事。
