熱插拔排序以及如何實(shí)現(xiàn)電池連接序列

目前，鋰離子（Li-ion）電池技術(shù)被應(yīng)用于各種便攜式系統(tǒng)，包括真空吸塵器、鋤草設(shè)備、手持式電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。與其他化學(xué)電池相比，鋰離子電池體積更小，重量更輕，電池壽命更長(zhǎng)，但需要監(jiān)控和保護(hù)以確保使用安全。

電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要任務(wù)是保護(hù)電池組，而電池組監(jiān)視器是協(xié)助保護(hù)BMS設(shè)備的關(guān)鍵。它監(jiān)控每個(gè)電池組的電壓，以及整個(gè)電池組的電壓、溫度和電流。監(jiān)控這些參數(shù)使BMS控制器能夠?yàn)檎麄€(gè)電池組及其各電池單元提供安全的運(yùn)行窗口。

BMS設(shè)備運(yùn)行包含很多方面內(nèi)容，但本文將主要討論熱插拔排序以及如何實(shí)現(xiàn)電池連接序列，而這些序列決定了BMS設(shè)備的熱插拔性能。大多數(shù)工程師都熟悉熱插拔這個(gè)術(shù)語，但是在處理BMS設(shè)備和開發(fā)熱插拔測(cè)試排列時(shí)，由于存在大量BMS連接，工程師需要時(shí)刻牢記其功效。單個(gè)電池組監(jiān)視器可以連接多達(dá)15個(gè)以上的熱插拔。

熱插拔測(cè)試運(yùn)行條件

檢測(cè)BMS設(shè)備熱插拔穩(wěn)健性需要幾個(gè)“活躍”的單元連接，如圖1所示。由于電池單元沒有斷電開關(guān)，所以連接會(huì)具備有源拉/灌電壓。鑒于擁有多個(gè)有線BMS到電池組間的連接，BMS設(shè)備必須具備強(qiáng)大的熱插拔性能。它必須能夠應(yīng)對(duì)在生產(chǎn)或應(yīng)用環(huán)境中執(zhí)行的任何連接順序。每次連接新電池組時(shí)，BMS控制器都會(huì)面對(duì)熱插拔的情況。

圖1 熱插拔測(cè)試需要可編程的切換以對(duì)每個(gè)單元連接進(jìn)行控制/定時(shí)

熱插拔期間的主要問題之一是BMS設(shè)備的各種電路區(qū)塊在主電軌連通前就開始通電，這可能會(huì)導(dǎo)致電路運(yùn)行異常。電池組監(jiān)視器（如ISL94203或ISL94202）可通過在熱插拔期間控制關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)阻抗來解決這個(gè)問題。

熱插拔測(cè)試的目標(biāo)

在熱插拔過程中可能會(huì)出現(xiàn)許多設(shè)備異常的情況，因此在熱插拔測(cè)試過程中完成故障檢測(cè)目標(biāo)非常重要。

損壞的POR——異常狀態(tài)-機(jī)器啟動(dòng)：此問題在于BMS控制設(shè)備需要在所有連接完成之前啟動(dòng)，這雖然不會(huì)造成毀滅性結(jié)果，但它可能導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的ATE故障。過早的POR可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。因此，新的熱插拔測(cè)試方法要能夠在電池組連接過程中檢測(cè)過早的POR或設(shè)備激活。

內(nèi)部邏輯故障——數(shù)字狀態(tài)異常：當(dāng)數(shù)字邏輯電平具有亞穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，亞穩(wěn)態(tài)是邏輯電平介于有效電壓閾值之間的水平狀態(tài)。結(jié)果是數(shù)字狀態(tài)寄存器報(bào)告異常字位組合。因此，測(cè)試裝置必須在熱插拔測(cè)試期間支持設(shè)備通信（I2C，SPI），如表1所示。異常數(shù)字狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致ATE故障，需要重新啟動(dòng)設(shè)備。

表1 熱插拔測(cè)試通過I2C或SPI通信總線記錄BMS設(shè)備的內(nèi)部寄存器

模擬偏置故障——電壓讀數(shù)不準(zhǔn)：這是內(nèi)部模擬參考或偏置電平未達(dá)到合適水平的情況。異常偏差可能導(dǎo)致內(nèi)部和測(cè)量模擬值的持久性偏差。這些偏差可能導(dǎo)致永久性錯(cuò)誤，需要重新進(jìn)行完整的供電循環(huán)才能清除。圖2顯示了熱插拔序列完成后模擬多路復(fù)用器（MUX）測(cè)量的數(shù)據(jù)。

圖2 模擬電壓測(cè)量可實(shí)現(xiàn)MUX性能的變化檢測(cè)

制定熱插拔連接序列

BMS熱插拔穩(wěn)定性需要解決隨機(jī)功率序列的問題。這些序列定義了從單元測(cè)量節(jié)點(diǎn)到有源單元電壓的連接順序。這些序列定義本身就可以成為一項(xiàng)研究項(xiàng)目，以往在熱插拔測(cè)試方面的經(jīng)驗(yàn)表明這可能需要數(shù)千個(gè)連接序列。圖3展示了熱插拔測(cè)試的交換連接序列。在開發(fā)新的連接序列時(shí)，本文提供了一些不同的思路，這些都是多年測(cè)試開發(fā)積累的成果。

圖3 包含交換連接序列的熱插拔測(cè)試

基于存儲(chǔ)測(cè)試模式功效的連接序列

除了定義熱插拔連接序列之外，還需要增加存儲(chǔ)測(cè)試（模式生成）的方法。實(shí)際上，存儲(chǔ)測(cè)試是對(duì)存儲(chǔ)體電力分配的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。而且某些類型的測(cè)試模式比其他測(cè)試模式更強(qiáng)調(diào)功率分布。

例如，最近的一項(xiàng)工業(yè)BMS熱插拔測(cè)試就要求以隨機(jī)方式切換9個(gè)連接，連接包括VSS（pack-），VBAT（pack+）和7個(gè)單元監(jiān)視器連接。因此，從存儲(chǔ)測(cè)試模式的角度來看是有9個(gè)連接的。

其他BMS設(shè)備有多達(dá)15個(gè)或更多的連接。如果連接序列的設(shè)計(jì)使用數(shù)學(xué)中排列的方法，則需要數(shù)千到數(shù)百萬次測(cè)試。需要注意的是，每次測(cè)試需要包括上次測(cè)試結(jié)束斷電、執(zhí)行連接定序，以及確認(rèn)POR狀態(tài)的時(shí)間。完成熱插拔定序后，每個(gè)測(cè)試都會(huì)觸發(fā)一個(gè)POR循環(huán)，隨后檢查數(shù)字狀態(tài)寄存器，并最后記錄所有相關(guān)MUX信道的模擬測(cè)量值。

為了支持存儲(chǔ)測(cè)試的觀點(diǎn)，需要回顧一下存儲(chǔ)測(cè)試模式及其目標(biāo)故障檢測(cè)。以下是存儲(chǔ)故障情況列表：

SAF卡點(diǎn)類故障

TF過渡故障

CF耦合故障

NPSF鄰域模式敏感故障

AF地址解析故障

通過分析這些故障模型，以及從存儲(chǔ)器電路轉(zhuǎn)換到熱插拔測(cè)試，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些故障實(shí)際上針對(duì)的是熱插拔故障機(jī)制，發(fā)現(xiàn)故障2、3和4與熱插拔故障檢測(cè)相關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)不同的熱插拔連接模式時(shí)，轉(zhuǎn)換故障、耦合故障和鄰域模式敏感故障都是可能發(fā)生的，耦合和鄰域故障檢測(cè)特別適合檢測(cè)熱插拔測(cè)試的有效性。

因此，新設(shè)計(jì)的熱插拔序列會(huì)對(duì)連接的內(nèi)部偏置施壓，這比一次一個(gè)的測(cè)試方法對(duì)設(shè)備條件施加的壓力更大。組合模式（如棋盤）增加到步行1s，步行0s是在此版本熱插拔測(cè)試期間使用的基本模式。如圖4所示，BMS器件需要在熱插拔期間控制輸入開關(guān)的阻抗，以便同時(shí)控制IC的輸入信號(hào)。

圖4 整體電路應(yīng)力下的BMS熱插拔連接

基于單個(gè)單元的一對(duì)一連接序列

這些模式具有一次一個(gè)連接模式的基本概念。例如簡(jiǎn)單的上升和下降收斂，以及一次一個(gè)的半隨機(jī)模式。此處的目標(biāo)是使用有效的模式選擇，但限制這些序列類型的數(shù)量，這樣可以確保在合理的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行測(cè)試。

嚴(yán)格執(zhí)行非重復(fù)排列計(jì)算可能會(huì)帶來不合理的熱插拔測(cè)試工作量。表2顯示約9個(gè)連接的熱插拔測(cè)試時(shí)間會(huì)超過400小時(shí)。這種方法對(duì)于設(shè)備重復(fù)測(cè)試、多設(shè)備測(cè)試或時(shí)序變化測(cè)試是不可行的。

表2 使用計(jì)算的非重復(fù)排列的連接順序在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中是不可行的

基于硬件互連設(shè)計(jì)的連接序列

最后一個(gè)需考慮的因素是連接器的機(jī)械性能。硬件互連設(shè)計(jì)解決了與每個(gè)連接器建立的連接數(shù)量，并考慮了電力分配的整體結(jié)構(gòu)。可以使用單個(gè)連接器與2、3和4個(gè)單元連接，這意味著互聯(lián)的電池組包含一系列的連接器。

互連設(shè)計(jì)還可以包括用主電池組和電池組+節(jié)點(diǎn)分開制作的單元監(jiān)視器連接。其他設(shè)計(jì)可能會(huì)將電池組-和電池組+并聯(lián)，會(huì)導(dǎo)致主要供電點(diǎn)物理連接到兩個(gè)不同的連接點(diǎn)。簡(jiǎn)而言之，基于硬件互連的序列是通過原理電路圖驅(qū)動(dòng)的。

具有互連延遲的連接序列

連接序列設(shè)計(jì)包括可編程延遲。除了指定收斂序列之外，每個(gè)測(cè)試步驟還包括測(cè)試定義部分的變量，該變量是收斂之間的可編程延遲。因此，考慮到測(cè)試時(shí)間，在早期進(jìn)行測(cè)試可以縮短延遲。之后，隨著測(cè)試的進(jìn)行可以增加延遲值，以模擬電池連接所需的實(shí)際時(shí)間。

最好不要僅依靠數(shù)學(xué)排列來建立序列。相反的，序列應(yīng)該是三種類型的組合。第一種類型是一次選擇一種模式。第二種類型是基于有效輸入應(yīng)力一次選擇幾種模式。第三種是基于連接器方案的序列組合，即每個(gè)插頭組件的物理觸點(diǎn)。

只要注重序列效力，就可重復(fù)測(cè)試運(yùn)行，也可以進(jìn)行多個(gè)設(shè)備的測(cè)試。序列效力可縮短測(cè)試時(shí)間，因此從安全角度來看，人員可以隨時(shí)待命。最后，測(cè)試過程中的時(shí)序可以進(jìn)行擴(kuò)展，來模擬工廠/用戶連接過程中自然發(fā)生的延遲。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，熱插拔性能是設(shè)備認(rèn)證的關(guān)鍵。本文分析了BMS熱插拔測(cè)試和序列設(shè)計(jì)的諸多方面，并列出了應(yīng)遵循的理想故障范圍。同時(shí)還了解到連接序列（和時(shí)序）可以解決實(shí)際熱插拔測(cè)試的根本問題。工程師應(yīng)將序列開發(fā)視為一個(gè)連續(xù)的過程，未來的開發(fā)將主要由BMS到電池組的互連來驅(qū)動(dòng)，而測(cè)試條件則依賴于參考設(shè)計(jì)及其變化。