在非完美电池管理系统中的故障监视

2011-03-23 19:17:50来源: 凌力尔特公司
  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。

对一个由 12 个锂离子电池组成的电池组实施的这种方案

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。

LTC6801 的内部电路提供的不仅是简单的比较器功能

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。

可设定的过压和欠压门限范围  

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

  

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关键字:电池管理  LTC6801  故障监视

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0323/article_3464.html
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