在非完美電池管理系統(tǒng)中的故障監(jiān)視
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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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。
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期可靠性。在電動型汽車、不中斷電源、醫(yī)療儀器甚至電動工具等應用中，用電池作電源是一種持續(xù)不斷的發(fā)展趨勢，這些應用每種都有不同程度的可靠性預期。
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(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(chǎn)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。
在最簡單的情況下，要求電路測量電池組中每節(jié)電池的電壓。這種測量一般是由一個 AD 轉換器執(zhí)行的，AD 轉換器將信息傳遞給一個微控制器。該控制器細致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時就不會超出一個嚴格的范圍，而超出這個范圍可能極大地縮短電池壽命。面對一個系統(tǒng)中可能有數(shù)百個單個電池的情況，一種集成式測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件。通過一個內(nèi)置的 12 位 ADC，它可以測量和報告多達 12 節(jié)電池以及兩個溫度傳感器上的電壓。任何數(shù)量的電池都可以相互疊置，所測得的每一組（由 12 個電池組成）電壓串行傳送到一個主微控制器。這些測量器件和控制器形成了電池管理系統(tǒng)的核心。
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(chǎn)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(nèi)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。
圖 1：結合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。
LTC6802 提供準確的測量，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 (Status Output) 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
LTC6801 的設計仔細考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時還具有易用性。一個重要的設計要求是，允許該器件自動運作，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) 和一個使能時鐘信號。沒有使能時鐘輸入，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。一接收到時鐘信號，該器件就自動喚醒并開始監(jiān)視所有電池。
圖 2：LTC6801 的內(nèi)部電路提供的不僅是簡單的比較器功能
- REGULATOR：穩(wěn)壓器
- MUX：多工器
- REFERENCE：基準
- SELF TEST REFERENCE：自測試基準
- DIGITAL COMPARATORS：數(shù)字比較器
- DECODER：解碼器
- UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV標記和控制邏輯
- “GOOD”：“良好”
圖 2 是 LTC6801 基本組件的方框圖。一個 12 位增量累加 AD 轉換器 (ADC) 對多達 12 節(jié)電池以及兩個溫度傳感器的電壓進行濾波和數(shù)字化。一個 5V 的穩(wěn)壓器和一個精確微調的 3V ADC 電壓基準是內(nèi)置的。器件全部工作特性的設定都由將器件引腳搭接到 5V 穩(wěn)壓器、3V 基準或 V- 來實現(xiàn)。無需外部組件。
圖 3：電池電壓報警門限的選擇是通過引腳搭接設定的。
單獨的引腳控制 OV 和 LV 門限，這樣它們就可以獨立設定。
- 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(chǎn)生信號以對一般性故障進行維修。
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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。
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(chǎn)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？
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)視器件本身正確運行呢？要防止不可檢測的故障模式，這一點非常重要。為了滿足這種要求，LTC6801 提供內(nèi)置的自動自測試功能。這種自測試功能可以按需啟動，或者在每完成 1024 個電池測試周期后自動執(zhí)行，自動測試用 17ms 時間就可以結束。圖 2 的電路顯示，可以怎樣連接 LTC6802-1 器件，以允許按需運行自測試功能。一個單獨的輸出引腳提供的信號表明該器件是否執(zhí)行了所有自測試功能，而且不中斷電池狀態(tài)輸出時鐘。自測試檢查 4 個主要功能。
測試內(nèi)容之一是，檢查 ADC、電壓基準和比較器是否正確運行。為了進行這一測試，要對第二個內(nèi)部電壓基準測量 3 次。第一次測量在一個嚴格的窗口內(nèi)比較該基準與兩個門限值，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僅低于所期望的電壓值，進行第二次電壓基準測量，這時比較器應該產(chǎn)生一個過壓指示。最后，較低的門限設定為高于所期望的電壓，這時應該產(chǎn)生一個欠壓指示。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確的。
ADC 的數(shù)字部分也要測試。應用兩個測試信號，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(chǎn)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(chǎn)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
在了解每節(jié)電池的充電狀態(tài)時，鋰離子電池的工作溫度是一個重要因素。溫度由LTC6802-1 等電池管理器件準確測量。故障監(jiān)視器件 LTC6801 還有兩個粗略的溫度輸入。這些讀數(shù)之所以是粗略的，是因為到溫度引腳的電壓輸入只是簡單地與 VREF/2 或 1.5V 門限作了比較。如果輸入電壓高于 1.5V，那么就被認為狀態(tài)良好，如果輸入低于該門限，就被認為出現(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超出了預定的范圍，那么狀態(tài)輸出時鐘就中斷，所采用的方法與發(fā)生電池電壓故障時所用方法相同。
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圖 5：粗略溫度檢測有可能通過到內(nèi)部電壓比較器的兩個溫度輸入引腳完成。
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這個例子在 -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，就標記出錯。
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結論
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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(jīng)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(chǎn)品的可靠性增加安全性，這么做永遠都不是壞事。
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