在非完美电池办理体系中的毛病监督

　　想想那句称为“墨菲规律”的陈旧格言：“但凡或许犯错的作业均会犯错。”。在曩昔50年中，根据电子组件的体系得到了充分发展，现已能够以特殊的高牢靠性供给十分先进的监督和操控功用。忧虑牢靠性一般是因为对人的生命有潜在风险，紧随其后的原因是毛病导致的高额损失和产品用户对满足度的下降。不过，事物历来都不是完美的，因而总是需求不断地进步牢靠性，以发作安全、耐久的电子体系。

　　当体系牢靠性有必要保证而别无挑选时，最好但也最贵重的办法是，运用彻底冗余的电路。彻底相同的电路一同履行相同的功用，并且对履行成果进行某种方法的表决以一直发作最安全的效果。在许多这类体系中，假如检测到有毛病的电路，那么就主动去掉该电路，并用一个相同的备份电路代替。关于长时刻牢靠运转来说，这是抱负的拓扑。另一方面，毛病的结果并不总能证明彻底冗余导致的高额费用是合理的。这类体系仅仅依托所运用的每一个组件固有的牢靠性。单个组件毛病或许严峻破坏体系或永久危害精确度。具有这种性质的规划假定存在许多风险，可是能以最低本钱完结。

　　就高度牢靠的体系而言，居于中心的办法是毛病监督，选用这种办法时，电路监督各种不同的体系组件，并陈述任何异常现象。因为在电路中的任何方位随时都有或许发作任何作业，因而被监督的元件越多越好。关于检测到的毛病所做出的反响会是多种多样的，从体系彻底停机 (例如：火车上的常闭式紧迫泊车开关) 到某种简略的服务报警 (类似于轿车中仪表板上的“傻瓜灯”) 等等。

　　本文将论述怎样经过运用 LTC6801 毛病监督 IC，进步一种高压锂离子电池组的长时刻牢靠性。在电动型轿车、不中止电源、医疗仪器乃至电动工具等运用中，用电池作电源是一种继续不断的发展趋势，这些运用每种都有不同程度的牢靠性预期。

　　长寿数电池电源面临的应战

　　关于电动车和许多其它类型的便携式设备来说，电池现已成为一种首要的非传统动力。锂离子电池十分受欢迎，因为与具有相同能量密度的其它化学组成的电池比较，锂离子电池的能量密度答应锂离子电池组更小、更轻。关于大功率运用来说，如电动型轿车，需求叠置数百个电池以构成一个高压电源，这种电源发作更小的电流，可运用更细和分量更轻的导线。在这类轿车运用中，驾驶员的安满是第一位的，接下来是车主的满足度。因而，完结安全牢靠的长时刻运转有清楚明了的理由。为到达这个意图，每节电池的电量都有必要得到继续监督，以在多年运用的状况下坚持最佳水平。

　　在最简略的状况下，要求电路丈量电池组中每节电池的电压。这种丈量一般是由一个 AD 转化器履行的，AD 转化器将信息传递给一个微操控器。该操控器详尽地办理全部电池的充电和放电，这样电池作业时就不会超出一个严厉的规模，而超出这个规模或许极大地缩短电池寿数。面临一个体系中或许稀有百个单个电池的状况，一种集成式丈量电路能够极大地节约组件数。凌力尔特公司供给的 LTC6802 便是这样一种集成式功用构件。经过一个内置的 12 位 ADC，它能够丈量和陈述多达 12 节电池以及两个温度传感器上的电压。任何数量的电池都能够互相叠置，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操控器。这些丈量器材和操控器构成了电池办理体系的中心。

　　关于延伸电池的可用寿数来说，细心操控每节电池的充电状况是极其重要的，可是这或许还不足以让要求越来越高的轿车客户满足。就灵敏电子产品而言，轿车展示了一种严厉和风险的运转环境。要想高枕无忧地取得持久满足，对体系进行“假定”剖析是必要的。几个要考虑的问题或许是：

• 　　假如衔接电池的一条导线断开了会怎样样？
  
• 　　假如电压丈量精确度偏移会怎样样？
  
• 　　假如内部寄存器位坚持某个数值不变，总是指示一个杰出的电池电压读数，会怎样样？
  
• 　　假如丈量 IC 不知怎样被严峻的体系电压瞬态损坏了，会怎样样？

　　埋伏最深的问题或许使操控器过错地确认，一节电池或一个电池组处于完美状况，而事实是，电池或电池组未以正确办法丈量。之后，这些电池或许彻底放电或被风险地过冲电，而体系却一点儿都没意识到。需求某个东西来“监督监督器”，以完结更高水平的牢靠运转。

　　用 LTC6801 进行电池办理体系 (BMS) 的毛病监督

　　一种可代替彻底冗余丈量办法的计划是，将毛病监督电路与丈量器材并联，以起到复核体系根本功用的效果。图 1 电路显现对一个由 12 个锂离子电池组成的电池组施行的这种计划，该计划运用一个 LTC6802 丈量器材和一个随同的 LTC6801 毛病监督器材。

图 1：结合电池丈量与毛病检测，以进步牢靠性。

LTC6802 供给精确的丈量，而 LTC6801 查看每节电池的过压/欠压状况。

　　经过依照指令丈量和陈述每节电池的电压，并将放电电流加到电池上以分配每节电池的电量，LTC6802-1 成为该体系中的首要电子组件。数据经过 SPI 串行数据链路传送到操控器。一同，LTC6801 还监督电池组中的每节电池。不必体系操控器的干涉，LTC6801 就能周期性地对每节电池的电压采样，并履行简略的欠压和过压比较。假如全部状况都正常，那么 LTC6801 就在状况输出 (Status Output) 线上供给一个差分时钟信号。假如有任何作业不正确，那么这个时钟就中止。至于问题的实质，LTC6801 不供给任何信息，因为它仅仅指示某件事不正确。这个时钟一旦中止，那么操控器就能够履行确诊程序，以确认呈现了什么问题。

　远不止于一个简略的比较器

　　LTC6801 的规划细心考虑了许多潜在的体系毛病，一同还具有易用性。一个重要的规划要求是，答应该器材主动运作，而无需任何软件。专一的外部需求是电源 (由电池组自身供给) 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况，仅从电池组抽取几 uA 的电流。该使能时钟能够由体系操控器或任何其它振动源 (比如 LTC6906 硅振动器) 供给。一接纳到时钟信号，该器材就主动唤醒并开端监督全部电池。

图 2：LTC6801 的内部电路供给的不仅是简略的比较器功用

• 　　REGULATOR：稳压器
  
• 　　MUX：多工器
  
• 　　REFERENCE：基准
  
• 　　SELF TEST REFERENCE：自测验基准
  
• 　　DIGITAL COMPARATORS：数字比较器
  
• 　　DECODER：解码器
  
• 　　UV/OV FLAGS AND CONTROL LOGIC：UV/OV符号和操控逻辑
  
• 　　“GOOD”：“杰出”

　　图 2 是 LTC6801 根本组件的方框图。一个 12 位增量累加 AD 转化器 (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。器材悉数作业特性的设定都由将器材引脚搭接到 5V 稳压器、3V 基准或 V- 来完结。无需外部组件。

图 3：电池电压报警门限的挑选是经过引脚搭接设定的。

独自的引脚操控 OV 和 LV 门限，这样它们就能够独立设定。

• 　　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规模。挑选过压 (OV) 门限是为了运用具有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供给一个合理的指示。OV 和 UV 门限由不同的引脚设定，因而任何组合都有或许。OV 和 UV 电平有必要设定，以在不是太挨近正常电池电压时，就可指示某件事或许犯错了，不然有或许引起毛病检测电路呈现厌烦的跳变。

　　还有或许给这些门限设定高达 500mV 的固定迟滞。当检测到的毛病触发的动作有或许引起电池上的电压变化时，如当即断开负载与电池组的衔接，设定固定迟滞很有用。迟滞能够避免跳进和跳出毛病状况。

　　别的两个能够经过引脚搭接设定的功用是，电池查看的重复率以及所衔接的电池数量。全部 12 节电池以及温度输入都能够每隔 15ms、130ms 或 500ms 查看一次。较小的占空比导致从电池组抽取的电源电流较小。电池数量能够在 4 节到 12 节之间设定。这保证只对实践衔接的电池进行毛病检测。

　　能够将恣意数意图 LTC6801 互相堆叠起来，以监督十分高电压体系中数百个独自的电池，见图 4。启用时钟被缓冲，两条信号线上的输出衔接到电池组中下一个较高端器材的使能输入。启用时钟弯曲地进出每个器材，一直到电池组的顶端。相同，每个器材十分重要的状况输出时钟向下传递至电池组中下一个较低端器材的状况输入引脚。状况时钟的频率与启用时钟相同，并可坐落 2kHz 至 50kHz 之间。假如任何时刻在任何电池组的任何地方检测就任何毛病，则担任监督受损电池的器材的状况时钟将中止电平改换。该静态条件将沿着电池组向下传达至底端器材。运用某种方法的边际检测的任何器材 (例如：看门狗守时器或计数器捕获/比较功用部件) 均可用于监督电池组中底端器材的状况输出线。当某个时钟转化被错过期，该器材能够发作信号以对一般性毛病进行修理。

图 4：任何数量的 LTC6801 电池监督器都能够叠置。

因为叠置的器材作业电压不同，因而需求 AC 耦合使能和状况信号。

　　供给一个用于状况线的接连时钟是一项重要的功用。运用一种静态逻辑电平来指示全部的体系毛病一直有或许在逻辑状况中发作失效，这种失效会过错地指示体系全部正常。这将导致毛病监督电路失掉效果。当选用一种守时计划时，监督器材有必要接连履行某些操作以坚持时钟的运转，并且体系的全部都有必要处于正确的状况，不然它将中止运作。在正常 (OK) 状况中，毛病信号不会被“堵塞”。为了增强抗逻辑噪声功用，需沿着电池组上下地对 LTC6801 进行差分守时。关于高电压电池组，常常需求供给针对操控器电源的阻隔。当选用差分时钟信号时，增设阻隔变压器是适当简略的。这是器材规划中另一项旨在强化容错/安全性的考虑。

　假如监督器材有问题会怎样样？

　　毫无疑问，经过冗余监督进步了体系牢靠性，可是怎样才能保证监督器材自身正确运转呢？要避免不行检测的毛病方法，这一点十分重要。为了满足这种要求，LTC6801 供给内置的主动自测验功用。这种自测验功用能够按需发动，或许在每完结 1024 个电池测验周期后主动履行，主动测验用 17ms 时刻就能够完毕。图 2 的电路显现，能够怎样衔接 LTC6802-1 器材，以答应按需运转自测验功用。一个独自的输出引脚供给的信号标明该器材是否履行了全部自测验功用，并且不中止电池状况输出时钟。自测验查看 4 个首要功用。

　　测验内容之一是，查看 ADC、电压基准和比较器是否正确运转。为了进行这一测验，要对第二个内部电压基准丈量 3 次。第一次丈量在一个严厉的窗口内比较该基准与两个门限值，并且绝不能发作超出规模的指示。接着，将较高的门限值降至一个仅低于所希望的电压值，进行第2次电压基准丈量，这时比较器应该发作一个过压指示。终究，较低的门限设定为高于所希望的电压，这时应该发作一个欠压指示。这样就能够有掌握地确认，ADC 的模仿部分作业正常，并且比较门限能够改动并且是精确的。

　ADC 的数字部分也要测验。运用两个测验信号，将发作由替换的“1”和“0”组成的数字输出读数。12 位输出代码将是 0xAAA 或 0x555。这证明没有 ADC 输出位固定在高或低电平上。

　　衔接电池的高压多工器也要测验。假如开关的地址解码器呈现毛病，那么一节或多节电池有或许被越过，而其它电池则被重复丈量。越过电池会意味着，坏电池或许未被检测到。其它多工器毛病 (例如一同挑选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发作过压或欠压指示。这种自测验保证每节电池都得到丈量，或保证将过错被符号出来。

　　第四个十分重要的自测验功用确认是否有电池衔接是开路的。就这项测验而言，对每节电池都用一个衔接到电池每一端的 100uA 小吸收电流进行丈量。假如衔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丈量，将发作过压指示并被符号出来。

　　这种周期性的自测验增强了体系运转的牢靠性。经过查看履行查看功用的器材，能够更有掌握地确认，全部作业都处于杰出运转状况。

　　大略的温度输入

　　在了解每节电池的充电状况时，锂离子电池的作业温度是一个重要因素。温度由LTC6802-1 等电池办理器材精确丈量。毛病监督器材 LTC6801 还有两个大略的温度输入。这些读数之所以是大略的，是因为到温度引脚的电压输入仅仅简略地与 VREF/2 或 1.5V 门限作了比较。假如输入电压高于 1.5V，那么就被以为状况杰出，假如输入低于该门限，就被以为呈现了毛病。以图 5 所示的分压器方法安顿比如热敏电阻等温度传感器和电阻器，能够构成简略的温度过高/过低监督功用。假如环境温度或特定的温度点超出了预订的规模，那么状况输出时钟就中止，所选用的办法与发作电池电压毛病时所用办法相同。

图 5：大略温度检测有或许经过到内部电压比较器的两个温度输入引脚完结。

这个比如在 -20°C 至 +60°C 的窗口中监督体系作业温度。假如超出温度约束，就符号犯错。

　　定论

　　在体系中坚持全部电池有正确的电量将延伸贵重的电池组的运用年限。在比如电动型轿车等轿车体系以及不中止电源备份体系中，这对取得客户满足极其重要。选用 LTC6801 是一种经济实惠的方法，它可经过冗余毛病监督改进锂离子电池办理体系的长时刻牢靠性。LTC6801 与更精确的电池办理体系一同运转，可供给一种复核功用，复核全部体系组件是否正常运转。假如运作异常，就会供给一个符号，以发动解决问题的程序。这有助于给终究产品的牢靠性添加安全性，这么做永久都不是坏事。