鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年08月19日
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θ说纳袧撛谖ｋU(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，如果檢測到有故障的電路，那么就自動去掉該電路，并用一個(gè)相同的備份電路代替。對于長期可靠運(yùn)行來說，這是理想的拓?fù)洹Ａ硪环矫?，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)告任何異常現(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。對于檢測到的故障所做出的反應(yīng)會是多種多樣的，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))到某種簡單的服務(wù)報(bào)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(zhàn)
對于電動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。對于大功率應(yīng)用來說，如電動型汽車，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。
對于延長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久滿意，對系統(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)線斷開了會怎么樣？
如果電壓測量準(zhǔn)確度偏移會怎么樣？
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)，會怎么樣？
如果測量IC不知怎么被嚴(yán)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(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(fù)核系統(tǒng)基本功能的作用。圖1電路顯示對一個(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測量器件和一個(gè)伴隨的LTC6801故障監(jiān)視器件。
通過按照指令測量和報(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(StatusOutput)線上提供一個(gè)差分時(shí)鐘信號。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)簡單的比較器
MUX：多工器
REFERENCE：基準(zhǔn)
SELFTESTREFERENCE：自測試基準(zhǔn)
DIGITALCOMpARATORS：數(shù)字比較器
DECODER：解碼器
UV/OVFLAGSANDCONTROLLOGIC：UV/OV標(biāo)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(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)檢測到的故障觸發(fā)的動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。這確保只對實(shí)際連接的電池進(jìn)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(gè)單獨(dú)的電池，見圖4。啟用時(shí)鐘被緩沖，兩條信號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)生信號以對一般性故障進(jìn)行維修。
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，故障信號不會被“阻塞”。為了增強(qiáng)抗邏輯噪聲性能，需沿著電池組上下地對LTC6801進(jìn)行差分定時(shí)。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(dāng)采用差分時(shí)鐘信號時(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)視器件有問題會怎么樣？
連接電池的高壓多工器也要測試。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(shí)選擇多節(jié)電池或開關(guān)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(cuò)誤被標(biāo)記出來。
第四個(gè)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(xiàng)測試而言，對每節(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。對開路導(dǎo)線之上的下一節(jié)電池的測量，將產(chǎn)生過壓指示并被標(biāo)記出來。
這種周期性的自測試增強(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
結(jié)論
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(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，就會提供一個(gè)標(biāo)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(yuǎn)都不是壞事。
