在非完美电池管理系统中的故障监视

引言

　　想想那句称为“墨菲定律”的古老格言：“凡是可能出错的事情均会出错。”。在过去50年中，基于电子组件的系统得到了充分发展，已经能够以非凡的高可靠性提供非常先进的监视和控制功能。担心可靠性一般是因为对人的生命有潜在危险，紧随其后的原因是故障导致的高额损失和产品用户对满意度的下降。不过，事物从来都不是完美的，因此总是需要不断地提高可靠性，以产生安全、耐久的电子系统。

　　当系统可靠性必须保证而别无选择时，最好但也最昂贵的方法是，使用完全冗余的电路。完全一样的电路同时执行相同的功能，而且对执行结果进行某种形式的表决以始终产生最安全的效果。在很多这类系统中，如果检测到有故障的电路，那么就自动去掉该电路，并用一个相同的备份电路代替。对于长期可靠运行来说，这是理想的拓扑。另一方面，故障的后果并不总能证明完全冗余导致的高额费用是合理的。这类系统只是依靠所使用的每一个组件固有的可靠性。单个组件故障可能严重毁坏系统或永久损害准确度。具有这种性质的设计假定存在大量风险，但是能以最低成本实现。

　　就高度可靠的系统而言，居于中间的方法是故障监视，采用这种方法时，电路监视各种不同的系统组件，并报告任何异常现象。由于在电路中的任何位置随时都有可能发生任何事情，因此被监视的元件越多越好。对于检测到的故障所做出的反应会是多种多样的，从系统完全停机 (例如：火车上的常闭式紧急停车开关) 到某种简单的服务报警 (类似于汽车中仪表板上的“傻瓜灯”) 等等。

　　本文将阐述如何通过使用 LTC6801 故障监视 IC，提高一种高压锂离子电池组的长期可靠性。在电动型汽车、不中断电源、医疗仪器甚至电动工具等应用中，用电池作电源是一种持续不断的发展趋势，这些应用每种都有不同程度的可靠性预期。

　　长寿命电池电源面临的挑战

　　对于电动车和大量其它类型的便携式设备来说，电池已经成为一种主要的非传统能源。锂离子电池非常受欢迎，因为与具有相同能量密度的其它化学组成的电池相比，锂离子电池的能量密度允许锂离子电池组更小、更轻。对于大功率应用来说，如电动型汽车，需要叠置数百个电池以形成一个高压电源，这种电源产生更小的电流，可使用更细和重量更轻的导线。在这类汽车应用中，驾驶员的安全是第一位的，接下来是车主的满意度。因此，实现安全可靠的长期运行有显而易见的理由。为达到这个目的，每节电池的电量都必须得到持续监视，以在多年使用的情况下保持最佳水平。

　　在最简单的情况下，要求电路测量电池组中每节电池的电压。这种测量一般是由一个 AD 转换器执行的，AD 转换器将信息传递给一个微控制器。该控制器细致地管理所有电池的充电和放电，这样电池工作时就不会超出一个严格的范围，而超出这个范围可能极大地缩短电池寿命。面对一个系统中可能有数百个单个电池的情况，一种集成式测量电路可以极大地节省组件数。凌力尔特公司提供的 LTC6802 就是这样一种集成式功能构件。通过一个内置的 12 位 ADC，它可以测量和报告多达 12 节电池以及两个温度传感器上的电压。任何数量的电池都可以相互叠置，所测得的每一组（由 12 个电池组成）电压串行传送到一个主微控制器。这些测量器件和控制器形成了电池管理系统的核心。

　　对于延长电池的可用寿命来说，仔细控制每节电池的充电状态是极其重要的，但是这也许还不足以让要求越来越高的汽车客户满意。就敏感电子产品而言，汽车展现了一种严酷和危险的运行环境。要想无忧无虑地获得长久满意，对系统进行“假设”分析是必要的。几个要考虑的问题也许是：

• 　　如果连接电池的一条导线断开了会怎么样？
• 　　如果电压测量准确度偏移会怎么样？
• 　　如果内部寄存器位保持某个数值不变，总是指示一个良好的电池电压读数，会怎么样？
• 　　如果测量 IC 不知怎么被严重的系统电压瞬态损坏了，会怎么样？

　　潜伏最深的问题可能使控制器错误地确定，一节电池或一个电池组处于完美状态，而事实是，电池或电池组未以正确方法测量。之后，这些电池可能完全放电或被危险地过冲电，而系统却一点儿都没意识到。需要某个东西来“监视监视器”，以实现更高水平的可靠运行。

　　用 LTC6801 进行电池管理系统 (BMS) 的故障监视

　　一种可替代完全冗余测量方法的方案是，将故障监视电路与测量器件并联，以起到复核系统基本功能的作用。图 1 电路显示对一个由 12 个锂离子电池组成的电池组实施的这种方案，该方案使用一个 LTC6802 测量器件和一个伴随的 LTC6801 故障监视器件。

图 1：结合电池测量与故障检测，以提高可靠性。

LTC6802 提供准确的测量，而 LTC6801 检查每节电池的过压/欠压状态。

　　通过按照指令测量和报告每节电池的电压，并将放电电流加到电池上以分配每节电池的电量，LTC6802-1 成为该系统中的主要电子组件。数据通过 SPI 串行数据链路传送到控制器。同时，LTC6801 还监视电池组中的每节电池。不用系统控制器的干预，LTC6801 就能周期性地对每节电池的电压采样，并执行简单的欠压和过压比较。如果所有情况都正常，那么 LTC6801 就在状态输出 (Status Output) 线上提供一个差分时钟信号。如果有任何事情不正确，那么这个时钟就停止。至于问题的本质，LTC6801 不提供任何信息，因为它只是指示某件事不正确。这个时钟一旦停止，那么控制器就可以执行诊断程序，以确定出现了什么问题。

　远不止于一个简单的比较器

　　LTC6801 的设计仔细考虑了很多潜在的系统故障，同时还具有易用性。一个重要的设计要求是，允许该器件自动运作，而无需任何软件。惟一的外部需求是电源 (由电池组本身提供) 和一个使能时钟信号。没有使能时钟输入，LTC6801 就停留在一种静态低功率状态，仅从电池组抽取几 uA 的电流。该使能时钟可以由系统控制器或任何其它振荡源 (诸如 LTC6906 硅振荡器) 提供。一接收到时钟信号，该器件就自动唤醒并开始监视所有电池。

图 2：LTC6801 的内部电路提供的不仅是简单的比较器功能

• 　　REGULATOR：稳压器
• 　　MUX：多工器
• 　　REFERENCE：基准
• 　　SELF TEST REFERENCE：自测试基准
• 　　DIGITAL COMPARATORS：数字比较器
• 　　DECODER：解码器
• 　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV标记和控制逻辑
• 　　“GOOD”：“良好”

　　图 2 是 LTC6801 基本组件的方框图。一个 12 位增量累加 AD 转换器 (ADC) 对多达 12 节电池以及两个温度传感器的电压进行滤波和数字化。一个 5V 的稳压器和一个精确微调的 3V ADC 电压基准是内置的。器件全部工作特性的设定都由将器件引脚搭接到 5V 稳压器、3V 基准或 V- 来实现。无需外部组件。

图 3：电池电压报警门限的选择是通过引脚搭接设定的。