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(cuò)的事情均會(huì)出錯(cuò)?！?。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(jīng)能夠以非凡的高可靠性提供非常先進(jìn)的監(jiān)視和控制功能。擔(dān)心可靠性一般是因?yàn)閷?duì)人的生命有潛在危險(xiǎn)，緊隨其后的原因是故障導(dǎo)致的高額損失和產(chǎn)品用戶對(duì)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(chǎn)生安全、耐久的電子系統(tǒng)。

　　當(dāng)系統(tǒng)可靠性必須保證而別無選擇時(shí)，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(shí)執(zhí)行相同的功能，而且對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行某種形式的表決以始終產(chǎn)生最安全的效果。在很多這類系統(tǒng)中，如果檢測(cè)到有故障的電路，那么就自動(dòng)去掉該電路，并用一個(gè)相同的備份電路代替。對(duì)于長(zhǎng)期可靠運(yùn)行來說，這是理想的拓?fù)?。另一方面，故障的后果并不總能證明完全冗余導(dǎo)致的高額費(fèi)用是合理的。這類系統(tǒng)只是依靠所使用的每一個(gè)組件固有的可靠性。單個(gè)組件故障可能嚴(yán)重毀壞系統(tǒng)或永久損害準(zhǔn)確度。具有這種性質(zhì)的設(shè)計(jì)假定存在大量風(fēng)險(xiǎn)，但是能以最低成本實(shí)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(shí)，電路監(jiān)視各種不同的系統(tǒng)組件，并報(bào)告任何異?，F(xiàn)象。由于在電路中的任何位置隨時(shí)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(duì)于檢測(cè)到的故障所做出的反應(yīng)會(huì)是多種多樣的，從系統(tǒng)完全停機(jī) (例如：火車上的常閉式緊急停車開關(guān)) 到某種簡(jiǎn)單的服務(wù)報(bào)警 (類似于汽車中儀表板上的“傻瓜燈”) 等等。

　　本文將闡述如何通過使用 LTC6801 故障監(jiān)視 IC，提高一種高壓鋰離子電池組的長(zhǎng)期可靠性。在電動(dòng)型汽車、不中斷電源、醫(yī)療儀器甚至電動(dòng)工具等應(yīng)用中，用電池作電源是一種持續(xù)不斷的發(fā)展趨勢(shì)，這些應(yīng)用每種都有不同程度的可靠性預(yù)期。

　　長(zhǎng)壽命電池電源面臨的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于電動(dòng)車和大量其它類型的便攜式設(shè)備來說，電池已經(jīng)成為一種主要的非傳統(tǒng)能源。鋰離子電池非常受歡迎，因?yàn)榕c具有相同能量密度的其它化學(xué)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(duì)于大功率應(yīng)用來說，如電動(dòng)型汽車，需要疊置數(shù)百個(gè)電池以形成一個(gè)高壓電源，這種電源產(chǎn)生更小的電流，可使用更細(xì)和重量更輕的導(dǎo)線。在這類汽車應(yīng)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(shí)現(xiàn)安全可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行有顯而易見的理由。為達(dá)到這個(gè)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(jiǎn)單的情況下，要求電路測(cè)量電池組中每節(jié)電池的電壓。這種測(cè)量一般是由一個(gè) AD 轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的，AD 轉(zhuǎn)換器將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器細(xì)致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時(shí)就不會(huì)超出一個(gè)嚴(yán)格的范圍，而超出這個(gè)范圍可能極大地縮短電池壽命。面對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中可能有數(shù)百個(gè)單個(gè)電池的情況，一種集成式測(cè)量電路可以極大地節(jié)省組件數(shù)。凌力爾特公司提供的 LTC6802 就是這樣一種集成式功能構(gòu)件。通過一個(gè)內(nèi)置的 12 位 ADC，它可以測(cè)量和報(bào)告多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個(gè)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(cè)得的每一組（由 12 個(gè)電池組成）電壓串行傳送到一個(gè)主微控制器。這些測(cè)量器件和控制器形成了電池管理系統(tǒng)的核心。

　　對(duì)于延長(zhǎng)電池的可用壽命來說，仔細(xì)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(yán)酷和危險(xiǎn)的運(yùn)行環(huán)境。要想無憂無慮地獲得長(zhǎng)久滿意，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)”分析是必要的。幾個(gè)要考慮的問題也許是：

• 　　如果連接電池的一條導(dǎo)線斷開了會(huì)怎么樣？
• 　　如果電壓測(cè)量準(zhǔn)確度偏移會(huì)怎么樣？
• 　　如果內(nèi)部寄存器位保持某個(gè)數(shù)值不變，總是指示一個(gè)良好的電池電壓讀數(shù)，會(huì)怎么樣？
• 　　如果測(cè)量 IC 不知怎么被嚴(yán)重的系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了，會(huì)怎么樣？

　　潛伏最深的問題可能使控制器錯(cuò)誤地確定，一節(jié)電池或一個(gè)電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)是，電池或電池組未以正確方法測(cè)量。之后，這些電池可能完全放電或被危險(xiǎn)地過沖電，而系統(tǒng)卻一點(diǎn)兒都沒意識(shí)到。需要某個(gè)東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”，以實(shí)現(xiàn)更高水平的可靠運(yùn)行。

　　用 LTC6801 進(jìn)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(cè)量方法的方案是，將故障監(jiān)視電路與測(cè)量器件并聯(lián)，以起到復(fù)核系統(tǒng)基本功能的作用。圖 1 電路顯示對(duì)一個(gè)由 12 個(gè)鋰離子電池組成的電池組實(shí)施的這種方案，該方案使用一個(gè) LTC6802 測(cè)量器件和一個(gè)伴隨的 LTC6801 故障監(jiān)視器件。

圖 1：結(jié)合電池測(cè)量與故障檢測(cè)，以提高可靠性。

LTC6802 提供準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)量和報(bào)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(shí)，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(yù)，LTC6801 就能周期性地對(duì)每節(jié)電池的電壓采樣，并執(zhí)行簡(jiǎn)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 (Status Output) 線上提供一個(gè)差分時(shí)鐘信號(hào)。如果有任何事情不正確，那么這個(gè)時(shí)鐘就停止。至于問題的本質(zhì)，LTC6801 不提供任何信息，因?yàn)樗皇侵甘灸臣虏徽_。這個(gè)時(shí)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(yuǎn)不止于一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器

　　LTC6801 的設(shè)計(jì)仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時(shí)還具有易用性。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求是，允許該器件自動(dòng)運(yùn)作，而無需任何軟件。惟一的外部需求是電源 (由電池組本身提供) 和一個(gè)使能時(shí)鐘信號(hào)。沒有使能時(shí)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(shí)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) 提供。一接收到時(shí)鐘信號(hào)，該器件就自動(dòng)喚醒并開始監(jiān)視所有電池。

圖 2：LTC6801 的內(nèi)部電路提供的不僅是簡(jiǎn)單的比較器功能

• 　　REGULATOR：穩(wěn)壓器
• 　　MUX：多工器
• 　　REFERENCE：基準(zhǔn)
• 　　SELF TEST REFERENCE：自測(cè)試基準(zhǔn)
• 　　DIGITAL COMPARATORS：數(shù)字比較器
• 　　DECODER：解碼器
• 　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標(biāo)記和控制邏輯
• 　　“GOOD”：“良好”

　　圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個(gè) 12 位增量累加 AD 轉(zhuǎn)換器 (ADC) 對(duì)多達(dá) 12 節(jié)電池以及兩個(gè)溫度傳感器的電壓進(jìn)行濾波和數(shù)字化。一個(gè) 5V 的穩(wěn)壓器和一個(gè)精確微調(diào)的 3V ADC 電壓基準(zhǔn)是內(nèi)置的。器件全部工作特性的設(shè)定都由將器件引腳搭接到 5V 穩(wěn)壓器、3V 基準(zhǔn)或 V- 來實(shí)現(xiàn)。無需外部組件。

圖 3：電池電壓報(bào)警門限的選擇是通過引腳搭接設(shè)定的。

單獨(dú)的引腳控制 OV 和 LV 門限，這樣它們就可以獨(dú)立設(shè)定。

• 　　Cell Voltage Thresholds：電池電壓門限
• 　　Cell Voltage：電池電壓
• 　　Pin Strap Programming Voltage Combinations：引腳搭接設(shè)定電壓組合

　　圖 3 繪出的是可設(shè)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(biāo)稱電壓和 4.2V 告警電平的鋰離子電池，而欠壓 (UV) 門限對(duì)電池電量耗盡提供一個(gè)合理的指示。OV 和 UV 門限由不同的引腳設(shè)定，因此任何組合都有可能。OV 和 UV 電平必須設(shè)定，以在不是太接近正常電池電壓時(shí)，就可指示某件事可能出錯(cuò)了，否則有可能引起故障檢測(cè)電路出現(xiàn)討厭的跳變。

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

　　另外兩個(gè)可以通過引腳搭接設(shè)定的功能是，電池檢查的重復(fù)率以及所連接的電池?cái)?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(dǎo)致從電池組抽取的電源電流較小。電池?cái)?shù)量可以在 4 節(jié)到 12 節(jié)之間設(shè)定。這確保只對(duì)實(shí)際連接的電池進(jìn)行故障檢測(cè)。

　　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(gè)單獨(dú)的電池，見圖 4。啟用時(shí)鐘被緩沖，兩條信號(hào)線上的輸出連接到電池組中下一個(gè)較高端器件的使能輸入。啟用時(shí)鐘蜿蜒地進(jìn)出每個(gè)器件，一直到電池組的頂端。同樣，每個(gè)器件非常重要的狀態(tài)輸出時(shí)鐘向下傳遞至電池組中下一個(gè)較低端器件的狀態(tài)輸入引腳。狀態(tài)時(shí)鐘的頻率與啟用時(shí)鐘相同，并可位于 2kHz 至 50kHz 之間。如果任何時(shí)間在任何電池組的任何地方檢測(cè)到任何故障，則負(fù)責(zé)監(jiān)視受損電池的器件的狀態(tài)時(shí)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(yùn)用某種形式的邊緣檢測(cè)的任何器件 (例如：看門狗定時(shí)器或計(jì)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(dāng)某個(gè)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換被錯(cuò)過時(shí)，該器件能夠產(chǎn)生信號(hào)以對(duì)一般性故障進(jìn)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，因此需要 AC 耦合使能和狀態(tài)信號(hào)。

　　提供一個(gè)用于狀態(tài)線的連續(xù)時(shí)鐘是一項(xiàng)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(chǎn)生失效，這種失效會(huì)錯(cuò)誤地指示系統(tǒng)一切正常。這將導(dǎo)致故障監(jiān)視電路失去作用。當(dāng)采用一種定時(shí)方案時(shí)，監(jiān)視器件必須連續(xù)執(zhí)行某些操作以保持時(shí)鐘的運(yùn)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(yùn)作。在正常 (OK) 狀態(tài)中，故障信號(hào)不會(huì)被“阻塞”。為了增強(qiáng)抗邏輯噪聲性能，需沿著電池組上下地對(duì) LTC6801 進(jìn)行差分定時(shí)。對(duì)于高電壓電池組，常常需要提供針對(duì)控制器電源的隔離。當(dāng)采用差分時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，增設(shè)隔離變壓器是相當(dāng)容易的。這是器件設(shè)計(jì)中另一項(xiàng)旨在強(qiáng)化容錯(cuò)/安全性的考慮。

　如果監(jiān)視器件有問題會(huì)怎么樣？

　　毫無疑問，通過冗余監(jiān)視提高了系統(tǒng)可靠性，但是怎樣才能確保監(jiān)視器件本身正確運(yùn)行呢？要防止不可檢測(cè)的故障模式，這一點(diǎn)非常重要。為了滿足這種要求，LTC6801 提供內(nèi)置的自動(dòng)自測(cè)試功能。這種自測(cè)試功能可以按需啟動(dòng)，或者在每完成 1024 個(gè)電池測(cè)試周期后自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)測(cè)試用 17ms 時(shí)間就可以結(jié)束。圖 2 的電路顯示，可以怎樣連接 LTC6802-1 器件，以允許按需運(yùn)行自測(cè)試功能。一個(gè)單獨(dú)的輸出引腳提供的信號(hào)表明該器件是否執(zhí)行了所有自測(cè)試功能，而且不中斷電池狀態(tài)輸出時(shí)鐘。自測(cè)試檢查 4 個(gè)主要功能。

　　測(cè)試內(nèi)容之一是，檢查 ADC、電壓基準(zhǔn)和比較器是否正確運(yùn)行。為了進(jìn)行這一測(cè)試，要對(duì)第二個(gè)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)測(cè)量 3 次。第一次測(cè)量在一個(gè)嚴(yán)格的窗口內(nèi)比較該基準(zhǔn)與兩個(gè)門限值，而且絕不能產(chǎn)生超出范圍的指示。接著，將較高的門限值降至一個(gè)僅低于所期望的電壓值，進(jìn)行第二次電壓基準(zhǔn)測(cè)量，這時(shí)比較器應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)過壓指示。最后，較低的門限設(shè)定為高于所期望的電壓，這時(shí)應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)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(zhǔn)確的。

　　ADC 的數(shù)字部分也要測(cè)試。應(yīng)用兩個(gè)測(cè)試信號(hào)，將產(chǎn)生由交替的“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(shí)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(cè)試。如果開關(guān)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(fù)測(cè)量。跳過電池會(huì)意味著，壞電池可能未被檢測(cè)到。其它多工器故障 (例如同時(shí)選擇多節(jié)電池或開關(guān)輸入之間短路) 會(huì)至少在一節(jié)電池輸入通道上產(chǎn)生過壓或欠壓指示。這種自測(cè)試確保每節(jié)電池都得到測(cè)量，或確保將錯(cuò)誤被標(biāo)記出來。

　　第四個(gè)非常重要的自測(cè)試功能確定是否有電池連接是開路的。就這項(xiàng)測(cè)試而言，對(duì)每節(jié)電池都用一個(gè)連接到電池每一端的 100uA 小吸收電流進(jìn)行測(cè)量。如果連接到電池的導(dǎo)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(duì)開路導(dǎo)線之上的下一節(jié)電池的測(cè)量，將產(chǎn)生過壓指示并被標(biāo)記出來。

　　這種周期性的自測(cè)試增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(shí)，鋰離子電池的工作溫度是一個(gè)重要因素。溫度由LTC6802-1 等電池管理器件準(zhǔn)確測(cè)量。故障監(jiān)視器件 LTC6801 還有兩個(gè)粗略的溫度輸入。這些讀數(shù)之所以是粗略的，是因?yàn)榈綔囟纫_的電壓輸入只是簡(jiǎn)單地與 VREF/2 或 1.5V 門限作了比較。如果輸入電壓高于 1.5V，那么就被認(rèn)為狀態(tài)良好，如果輸入低于該門限，就被認(rèn)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(jiǎn)單的溫度過高/過低監(jiān)視功能。如果環(huán)境溫度或特定的溫度點(diǎn)超出了預(yù)定的范圍，那么狀態(tài)輸出時(shí)鐘就中斷，所采用的方法與發(fā)生電池電壓故障時(shí)所用方法相同。

圖 5：粗略溫度檢測(cè)有可能通過到內(nèi)部電壓比較器的兩個(gè)溫度輸入引腳完成。

這個(gè)例子在 -20°C 至 +60°C 的窗口中監(jiān)視系統(tǒng)工作溫度。如果超出溫度限制，就標(biāo)記出錯(cuò)。

　　結(jié)論

　　在系統(tǒng)中保持所有電池有正確的電量將延長(zhǎng)昂貴的電池組的使用年限。在諸如電動(dòng)型汽車等汽車系統(tǒng)以及不中斷電源備份系統(tǒng)中，這對(duì)獲得客戶滿意極其重要。采用 LTC6801 是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)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(zhǎng)期可靠性。LTC6801 與更準(zhǔn)確的電池管理系統(tǒng)一起運(yùn)行，可提供一種復(fù)核功能，復(fù)核所有系統(tǒng)組件是否正常運(yùn)行。如果運(yùn)作失常，就會(huì)提供一個(gè)標(biāo)記，以啟動(dòng)解決問題的程序。這有助于給最終產(chǎn)品的可靠性增加安全性，這么做永遠(yuǎn)都不是壞事。