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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。
单独的引脚控制 OV 和 LV 门限，这样它们就可以独立设定。
- Cell Voltage Thresholds：电池电压门限
- Cell Voltage：电池电压
- Pin Strap Programming Voltage Combinations：引脚搭接设定电压组合
图 3 绘出的是可设定的过压和欠压门限范围。选择过压 (OV) 门限是为了使用具有3.3V 标称电压和 4.2V 告警电平的锂离子电池，而欠压 (UV) 门限对电池电量耗尽提供一个合理的指示。OV 和 UV 门限由不同的引脚设定，因此任何组合都有可能。OV 和 UV 电平必须设定，以在不是太接近正常电池电压时，就可指示某件事可能出错了，否则有可能引起故障检测电路出现讨厌的跳变。
还有可能给这些门限设定高达 500mV 的固定迟滞。当检测到的故障触发的动作有可能引起电池上的电压变化时，如立即断开负载与电池组的连接，设定固定迟滞很有用。迟滞可以防止跳进和跳出故障状态。
另外两个可以通过引脚搭接设定的功能是，电池检查的重复率以及所连接的电池数量。所有 12 节电池以及温度输入都可以每隔 15ms、130ms 或 500ms 检查一次。较小的占空比导致从电池组抽取的电源电流较小。电池数量可以在 4 节到 12 节之间设定。这确保只对实际连接的电池进行故障检测。
可以将任意数目的 LTC6801 彼此堆叠起来，以监视非常高电压系统中数百个单独的电池，见图 4。启用时钟被缓冲，两条信号线上的输出连接到电池组中下一个较高端器件的使能输入。启用时钟蜿蜒地进出每个器件，一直到电池组的顶端。同样，每个器件非常重要的状态输出时钟向下传递至电池组中下一个较低端器件的状态输入引脚。状态时钟的频率与启用时钟相同，并可位于 2kHz 至 50kHz 之间。如果任何时间在任何电池组的任何地方检测到任何故障，则负责监视受损电池的器件的状态时钟将停止电平变换。该静态条件将沿着电池组向下传播至底端器件。运用某种形式的边缘检测的任何器件 (例如：看门狗定时器或计数器捕获/比较功能部件) 均可用于监视电池组中底端器件的状态输出线。当某个时钟转换被错过时，该器件能够产生信号以对一般性故障进行维修。
图 4：任何数量的 LTC6801 电池监视器都可以叠置。
由于叠置的器件工作电压不同，因此需要 AC 耦合使能和状态信号。
提供一个用于状态线的连续时钟是一项重要的功能。使用一种静态逻辑电平来指示所有的系统故障始终有可能在逻辑状态中产生失效，这种失效会错误地指示系统一切正常。这将导致故障监视电路失去作用。当采用一种定时方案时，监视器件必须连续执行某些操作以保持时钟的运行，而且系统的一切都必须处于正确的状态，否则它将停止运作。在正常 (OK) 状态中，故障信号不会被“阻塞”。为了增强抗逻辑噪声性能，需沿着电池组上下地对 LTC6801 进行差分定时。对于高电压电池组，常常需要提供针对控制器电源的隔离。当采用差分时钟信号时，增设隔离变压器是相当容易的。这是器件设计中另一项旨在强化容错/安全性的考虑。
如果监视器件有问题会怎么样？
毫无疑问，通过冗余监视提高了系统可靠性，但是怎样才能确保监视器件本身正确运行呢？要防止不可检测的故障模式，这一点非常重要。为了满足这种要求，LTC6801 提供内置的自动自测试功能。这种自测试功能可以按需启动，或者在每完成 1024 个电池测试周期后自动执行，自动测试用 17ms 时间就可以结束。图 2 的电路显示，可以怎样连接 LTC6802-1 器件，以允许按需运行自测试功能。一个单独的输出引脚提供的信号表明该器件是否执行了所有自测试功能，而且不中断电池状态输出时钟。自测试检查 4 个主要功能。
测试内容之一是，检查 ADC、电压基准和比较器是否正确运行。为了进行这一测试，要对第二个内部电压基准测量 3 次。第一次测量在一个严格的窗口内比较该基准与两个门限值，而且绝不能产生超出范围的指示。接着，将较高的门限值降至一个仅低于所期望的电压值，进行第二次电压基准测量，这时比较器应该产生一个过压指示。最后，较低的门限设定为高于所期望的电压，这时应该产生一个欠压指示。这样就可以有把握地确定，ADC 的模拟部分工作正常，而且比较门限可以改变并且是准确的。
ADC 的数字部分也要测试。应用两个测试信号，将产生由交替的“1”和“0”组成的数字输出读数。12 位输出代码将是 0xAAA 或 0x555。这证实没有 ADC 输出位固定在高或低电平上。
连接电池的高压多工器也要测试。如果开关的地址解码器出现故障，那么一节或多节电池有可能被跳过，而其它电池则被重复测量。跳过电池会意味着，坏电池可能未被检测到。其它多工器故障 (例如同时选择多节电池或开关输入之间短路) 会至少在一节电池输入通道上产生过压或欠压指示。这种自测试确保每节电池都得到测量，或确保将错误被标记出来。
第四个非常重要的自测试功能确定是否有电池连接是开路的。就这项测试而言，对每节电池都用一个连接到电池每一端的 100uA 小吸收电流进行测量。如果连接到电池的导线开路，那么用于这节电池的 ADC 电压输入将被吸收电流拉低。对开路导线之上的下一节电池的测量，将产生过压指示并被标记出来。
这种周期性的自测试增强了系统运行的可靠性。通过检查执行检查功能的器件，可以更有把握地确定，所有事情都处于良好运行状态。
粗略的温度输入
在了解每节电池的充电状态时，锂离子电池的工作温度是一个重要因素。温度由LTC6802-1 等电池管理器件准确测量。故障监视器件 LTC6801 还有两个粗略的温度输入。这些读数之所以是粗略的，是因为到温度引脚的电压输入只是简单地与 VREF/2 或 1.5V 门限作了比较。如果输入电压高于 1.5V，那么就被认为状态良好，如果输入低于该门限，就被认为出现了故障。以图 5 所示的分压器形式安置诸如热敏电阻等温度传感器和电阻器，可以形成简单的温度过高/过低监视功能。如果环境温度或特定的温度点超出了预定的范围，那么状态输出时钟就中断，所采用的方法与发生电池电压故障时所用方法相同。
图 5：粗略温度检测有可能通过到内部电压比较器的两个温度输入引脚完成。
这个例子在 -20°C 至 +60°C 的窗口中监视系统工作温度。如果超出温度限制，就标记出错。
结论
在系统中保持所有电池有正确的电量将延长昂贵的电池组的使用年限。在诸如电动型汽车等汽车系统以及不中断电源备份系统中，这对获得客户满意极其重要。采用 LTC6801 是一种经济实惠的方式，它可通过冗余故障监视改善锂离子电池管理系统的长期可靠性。LTC6801 与更准确的电池管理系统一起运行，可提供一种复核功能，复核所有系统组件是否正常运行。如果运作失常，就会提供一个标记，以启动解决问题的程序。这有助于给最终产品的可靠性增加安全性，这么做永远都不是坏事。
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