鉅大LARGE | 點擊量：763次 | 2020年07月09日
電動/混合電動汽車電池管理系統的可靠性
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，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異常現象。既然故障可能在任何時間、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，也可以是類似汽車中的報警燈之類的簡單服務告警。
實現更長電池壽命的挑戰
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用而言，數百個電池疊置在一起，以構成一個高壓電源，從而使較小的電流通過較細和重量較輕的配線。在這類汽車應用中，駕駛員的安全是最重要的，接下來是車主的滿意度。因此，有強大的動力驅使人們實現安全和可靠的長期運行。為達到此目的，必須持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模數轉換器(ADC)執行，該ADC將信息傳遞給一個微控制器。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不超出一個嚴格的范圍，因超出這個范圍可能極大地縮短電池的壽命。在系統中有數百個電池時，一個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，該器件通過一個內置的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個電池為一組，將所測得的每組電壓串行傳送到一個主微控制器。這些組件構成了電池管理系統的核心。
就延長電池的可用壽命而言，仔細控制每節電池的充電狀態非常重要，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，對系統進行假設-結果分析是必要的。要考慮的幾個關鍵問題是：要是一條連接到電池的導線斷開了會怎么樣？假如電壓測量準確度偏移了會怎么樣？要是測量IC不知怎么被系統電壓瞬態損壞了又會怎么樣?
大多數隱伏的故障都會使控制器認為電池或電池組處于完美狀態，而事實上，電池沒有得到準確測量。然后，在沒有向系統供應警報的情況下，這些電池可能完全放電或被危險地過沖電。要某個東西來監視監視器，以實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連接，并起到對系統基本功能進行復核的用途。圖1電路顯示了這種方法的電路實現，該電路采用LTC6802測量器件，用于一個由12節鋰離子電池組成的電池組，還采用了一個伴隨的LTC6801故障監視器件。
LTC6801在設計時仔細考慮了很多潛在的系統故障，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供應的電源，以及一個使能時鐘信號。假如沒有使能時鐘輸入，LTC6801就停在靜態低功率狀態。該器件工作特性的所有設定都由器件引腳搭接完成，無需外部組件。
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電池(參見圖2)。使能時鐘經過緩沖，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器件的使能輸入。該使能時鐘在每個器件中進出，一直到這組器件的頂端。類似地，來自每個器件最重要的狀態輸出時鐘向下傳遞到這組器件中下一個器件的狀態輸入(StatusInput)引腳。假如在任何時間、在電池組任何地方的任何電池上檢測到任何故障，監視問題電池的那個器件的狀態時鐘就停止觸發。這種靜止狀態將沿著這組器件一直傳遞到最底端的器件。時鐘轉換停止后，這個器件就可以發出檢修故障的信號。
為狀態線供應持續時鐘是一種重要的功能。在指示系統中是否一切正常時，標記任何系統故障的靜態邏輯電平都有可能出現錯誤的邏輯狀態。這會使故障監視方法失去用途。采用時鐘機制，監視器件必須持續工作，以保持時鐘運行，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。
監視器件的問題
毫無疑問，通過冗余監視提高了系統的可靠性，但是怎么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。為了解決這個問題，LTC6801供應一種內置的自動自測試功能。該自測試功能可在每1024個測試周期后自動執行。這種自測試檢查4種重要功能。
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，欠壓和過壓狀態也是內部出現的，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，比較門限可以改變并且是準確的。
ADC的數字部分也要測試。兩個測試信號強制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，沒有ADC位被固定。
多路復用器開關故障可能導致一節或多節電池被跳過，而其他電池則被反復測量。跳過電池意味著，壞電池可能未檢測到。自測試確保每節電池都得到測量，或每個錯誤都得到標記。
第四個非常重要的自測試功能決定是否有電池連接是開路的。就這項測試而言，每節電池都用很小的100uA下拉電流進行測量，就一個開路的電池連接而言，該電流將出現誤差。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時間延長數年。LTC6801是一種經濟實惠的方式，可通過冗余故障監視改善鋰離子電池管理系統的長期可靠性。LTC6801與更精準的電池測量系統并聯運行，供應了一種復核功能，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。
