基于LTC6801的電池管理系統(tǒng) (BMS) 的故障監(jiān)視

　　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?

　　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)自測試功能。這種自測試功能可以按需啟動(dòng)，或者在每完成 1024 個(gè)電池測試周期后自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)測試用 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)行自測試功能。一個(gè)單獨(dú)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(shí)鐘。自測試檢查 4 個(gè)主要功能。

　　測試內(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)行這一測試，要對第二個(gè)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)測量 3 次。第一次測量在一個(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)字部分也要測試。應(yīng)用兩個(gè)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(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

　　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(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。