鉅大LARGE | 點擊量：1063次 | 2019年08月19日
在非完美電池管理系統中的故障監視
在非完美電池管理系統中的故障監視
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?！薄Ｔ谶^去50年中，基于電子組件的系統得到了充分發展，已經能夠以非凡的高可靠性提供非常先進的監視和控制功能。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。
當系統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行相同的功能，而且對執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。
就高度可靠的系統而言，居于中間的方法是故障監視，采用這種方法時，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異?，F象。由于在電路中的任何位置隨時都有可能發生任何事情，因此被監視的元件越多越好。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
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，每節電池的電量都必須得到持續監視，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，仔細控制每節電池的充電狀態是極其重要的，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，汽車展現了一種嚴酷和危險的運行環境。要想無憂無慮地獲得長久滿意，對系統進行“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值不變，總是指示一個良好的電池電壓讀數，會怎么樣？
如果測量IC不知怎么被嚴重的系統電壓瞬態損壞了，會怎么樣？
潛伏最深的問題可能使控制器錯誤地確定，一節電池或一個電池組處于完美狀態，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，而系統卻一點兒都沒意識到。需要某個東西來“監視監視器”，以實現更高水平的可靠運行。
用LTC6801進行電池管理系統(BMS)的故障監視
一種可替代完全冗余測量方法的方案是，將故障監視電路與測量器件并聯，以起到復核系統基本功能的作用。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故障監視器件。
通過按照指令測量和報告每節電池的電壓，并將放電電流加到電池上以分配每節電池的電量，LTC6802-1成為該系統中的主要電子組件。數據通過SpI串行數據鏈路傳送到控制器。同時，LTC6801還監視電池組中的每節電池。不用系統控制器的干預，LTC6801就能周期性地對每節電池的電壓采樣，并執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行診斷程序，以確定出現了什么問題。
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。
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量。所有12節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。電池數量可以在4節到12節之間設定。這確保只對實際連接的電池進行故障檢測。
可以將任意數目的LTC6801彼此堆疊起來，以監視非常高電壓系統中數百個單獨的電池，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輸出時鐘向下傳遞至電池組中下一個較低端器件的狀態輸入引腳。狀態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，則負責監視受損電池的器件的狀態時鐘將停止電平變換。該靜態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器捕獲/比較功能部件)均可用于監視電池組中底端器件的狀態輸出線。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。
提供一個用于狀態線的連續時鐘是一項重要的功能。使用一種靜態邏輯電平來指示所有的系統故障始終有可能在邏輯狀態中產生失效，這種失效會錯誤地指示系統一切正常。這將導致故障監視電路失去作用。當采用一種定時方案時，監視器件必須連續執行某些操作以保持時鐘的運行，而且系統的一切都必須處于正確的狀態，否則它將停止運作。在正常(OK)狀態中，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故障，那么一節或多節電池有可能被跳過，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(例如同時選擇多節電池或開關輸入之間短路)會至少在一節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運行的可靠性。通過檢查執行檢查功能的器件，可以更有把握地確定，所有事情都處于良好運行狀態。
粗略的溫度輸入
結論
在系統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以及不中斷電源備份系統中，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視改善鋰離子電池管理系統的長期可靠性。LTC6801與更準確的電池管理系統一起運行，可提供一種復核功能，復核所有系統組件是否正常運行。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。
