本文將闡述如何通過使用LTC6801故障監(jiān)視IC,提高一種高壓鋰離子電池組的長期可靠性。在電動型汽車、不中斷電源、醫(yī)療儀器甚至電動工具等應(yīng)用中，用電池作電源是一種持續(xù)不斷的發(fā)展趨勢，這些應(yīng)用每種都有不同程度的可靠性預(yù)期。

長壽命電池電源面對的挑戰(zhàn)

關(guān)于電動汽車和大量其它類型的便攜式設(shè)備來說，電池已經(jīng)成為一種重要的非傳統(tǒng)能源。鋰離子電池非常受歡迎，因?yàn)榕c具有相同能量密度的其它化學(xué)組成的電池相比，鋰離子電池的能量密度允許鋰離子電池組更小、更輕。關(guān)于大功率應(yīng)用來說，如電動型汽車，要疊置數(shù)百個電池以形成一個高壓電源，這種電源出現(xiàn)更小的電流，可使用更細(xì)和重量更輕的導(dǎo)線。在這類汽車應(yīng)用中，駕駛員的安全是第一位的，接下來是車主的滿意度。因此，實(shí)現(xiàn)安全可靠的長期運(yùn)行有顯而易見的理由。為達(dá)到這個目的，每節(jié)電池的電量都必須得到持續(xù)監(jiān)視，以在多年使用的情況下保持最佳水平。

在最簡單的情況下，要求電路測量電池組中每節(jié)電池的電壓。這種測量一般是由一個AD轉(zhuǎn)換器執(zhí)行的，AD轉(zhuǎn)換器將信息傳遞給一個微控制器。該控制器細(xì)致地管理所有電池的充電和放電，這樣電池工作時就不會超出一個嚴(yán)格的范圍，而超出這個范圍可能極大地縮短電池壽命。面對一個系統(tǒng)中可能有數(shù)百個單個電池的情況，一種集成式測量電路可以極大地節(jié)省組件數(shù)。凌力爾特公司供應(yīng)的LTC6802就是這樣一種集成式功能構(gòu)件。通過一個內(nèi)置的12位ADC,它可以測量和報告多達(dá)12節(jié)電池以及兩個溫度傳感器上的電壓。任何數(shù)量的電池都可以相互疊置，所測得的每一組（由12個電池組成）電壓串行傳送到一個主微控制器。這些測量器件和控制器形成了電池管理系統(tǒng)的核心。

關(guān)于延長電池的可用壽命來說，仔細(xì)控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)是極其重要的，但是這也許還不足以讓要求越來越高的汽車客戶滿意。就敏感電子產(chǎn)品而言，汽車展現(xiàn)了一種嚴(yán)酷和危險的運(yùn)行環(huán)境。要想無憂無慮地獲得長久滿意，對系統(tǒng)進(jìn)行“假設(shè)”分析是必要的。幾個要考慮的問題也許是：

假如連接電池的一條導(dǎo)線斷開了會怎么樣？

假如電壓測量準(zhǔn)確度偏移會怎么樣？

假如內(nèi)部寄存器位保持某個數(shù)值不變，總是指示一個良好的電池電壓讀數(shù)，會怎么樣？

假如測量IC不知怎么被嚴(yán)重的系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了，會怎么樣？

潛伏最深的問題可能使控制器錯誤地確定，一節(jié)電池或一個電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)是，電池或電池組未以正確方法測量。之后，這些電池可能完全放電或被危險地過沖電，而系統(tǒng)卻一點(diǎn)兒都沒意識到。要某個東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”,以實(shí)現(xiàn)更高水平的可靠運(yùn)行。

用LTC6801進(jìn)行電池管理系統(tǒng)（BMS）的故障監(jiān)視

一種可替代完全冗余測量方法的方法是，將故障監(jiān)視電路與測量器件并聯(lián)，以起到復(fù)核系統(tǒng)基本功能的用途。圖1電路顯示對一個由12個鋰離子電池組成的電池組執(zhí)行的這種方法，該方法使用一個LTC6802測量器件和一個伴隨的LTC6801故障監(jiān)視器件。

圖1:結(jié)合電池測量與故障檢測，以提高可靠性。

LTC6802供應(yīng)準(zhǔn)確的測量，而LTC6801檢查每節(jié)電池的過壓/欠壓狀態(tài)。

通過按照指令測量和報告每節(jié)電池的電壓，并將放電電流加到電池上以分配每節(jié)電池的電量，LTC6802-1成為該系統(tǒng)中的重要電子組件。數(shù)據(jù)通過SpI串行數(shù)據(jù)鏈路傳送到控制器。同時，LTC6801還監(jiān)視電池組中的每節(jié)電池。不用系統(tǒng)控制器的干預(yù)，LTC6801就能周期性地對每節(jié)電池的電壓采樣，并執(zhí)行簡單的欠壓和過壓比較。假如所有情況都正常，那么LTC6801就在狀態(tài)輸出（StatusOutput）線上供應(yīng)一個差分時鐘信號。假如有任何事情不正確，那么這個時鐘就停止。至于問題的本質(zhì)，LTC6801不供應(yīng)任何信息，因?yàn)樗皇侵甘灸臣虏徽_。這個時鐘一旦停止，那么控制器就可以執(zhí)行診斷程序，以確定出現(xiàn)了什么問題。

遠(yuǎn)不止于一個簡單的比較器

LTC6801的設(shè)計仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時還具有易用性。一個重要的設(shè)計要求是，允許該器件自動運(yùn)作，而無需任何軟件。惟一的外部需求是電源（由電池組本身供應(yīng)）和一個使能時鐘信號。沒有使能時鐘輸入，LTC6801就停留在一種靜態(tài)低功率狀態(tài)，僅從電池組抽取幾u(yù)A的電流。該使能時鐘可以由系統(tǒng)控制器或任何其它振蕩源（諸如LTC6906硅振蕩器）供應(yīng)。一接收到時鐘信號，該器件就自動喚醒并開始監(jiān)視所有電池。

圖2:LTC6801的內(nèi)部電路供應(yīng)的不僅是簡單的比較器功能

REGULATOR:穩(wěn)壓器

MUX:多工器

REFERENCE:基準(zhǔn)

SELFTESTREFERENCE:自測試基準(zhǔn)

DIGITALCOMpARATORS:數(shù)字比較器

DECODER:解碼器

UV/OVFLAGSANDCONTROLLOGIC:UV/OV標(biāo)記和控制邏輯

“GOOD”:“良好”

圖2是LTC6801基本組件的方框圖。一個12位增量累加AD轉(zhuǎn)換器（ADC）對多達(dá)12節(jié)電池以及兩個溫度傳感器的電壓進(jìn)行濾波和數(shù)字化。一個5V的穩(wěn)壓器和一個精確微調(diào)的3VADC電壓基準(zhǔn)是內(nèi)置的。器件全部工作特性的設(shè)定都由將器件引腳搭接到5V穩(wěn)壓器、3V基準(zhǔn)或V-來實(shí)現(xiàn)。無需外部組件。

圖3:電池電壓報警門限的選擇是通過引腳搭接設(shè)定的。

單獨(dú)的引腳控制OV和LV門限，這樣它們就可以獨(dú)立設(shè)定。

CellVoltageThresholds:電池電壓門限

CellVoltage:電池電壓

pinStrapprogrammingVoltageCombinations:引腳搭接設(shè)定電壓組合

圖3繪出的是可設(shè)定的過壓和欠壓門限范圍。選擇過壓（OV）門限是為了使用具有3.3V標(biāo)稱電壓和4.2V告警電平的鋰離子電池，而欠壓（UV）門限對電池電量耗盡供應(yīng)一個合理的指示。OV和UV門限由不同的引腳設(shè)定，因此任何組合都有可能。OV和UV電平必須設(shè)定，以在不是太接近正常電池電壓時，就可指示某件事可能出錯了，否則有可能引起故障檢測電路出現(xiàn)討厭的跳變。

還有可能給這些門限設(shè)定高達(dá)500mV的固定遲滯。當(dāng)檢測到的故障觸發(fā)的動作有可能引起電池上的電壓變化時，如立即斷開負(fù)載與電池組的連接，設(shè)定固定遲滯很有用。遲滯可以防止跳進(jìn)和跳出故障狀態(tài)。

另外兩個可以通過引腳搭接設(shè)定的功能是，電池檢查的重復(fù)率以及所連接的電池數(shù)量。所有12節(jié)電池以及溫度輸入都可以每隔15ms、130ms或500ms檢查一次。較小的占空比導(dǎo)致從電池組抽取的電源電流較小。電池數(shù)量可以在4節(jié)到12節(jié)之間設(shè)定。這確保只對實(shí)際連接的電池進(jìn)行故障檢測。

可以將任意數(shù)目的LTC6801彼此堆疊起來，以監(jiān)視非常高電壓系統(tǒng)中數(shù)百個單獨(dú)的電池，見圖4.啟用時鐘被緩沖，兩條信號線上的輸出連接到電池組中下一個較高端器件的使能輸入。啟用時鐘蜿蜒地進(jìn)出每個器件，一直到電池組的頂端。同樣，每個器件非常重要的狀態(tài)輸出時鐘向下傳遞至電池組中下一個較低端器件的狀態(tài)輸入引腳。狀態(tài)時鐘的頻率與啟用時鐘相同，并可位于2kHz至50kHz之間。假如任何時間在任何電池組的任何地方檢測到任何故障，則負(fù)責(zé)監(jiān)視受損電池的器件的狀態(tài)時鐘將停止電平變換。該靜態(tài)條件將沿著電池組向下傳播至底端器件。運(yùn)用某種形式的邊緣檢測的任何器件（例如：看門狗按時器或計數(shù)器捕獲/比較功能部件）均可用于監(jiān)視電池組中底端器件的狀態(tài)輸出線。當(dāng)某個時鐘轉(zhuǎn)換被錯過時，該器件能夠出現(xiàn)信號以對一般性故障進(jìn)行維修。

圖4:任何數(shù)量的LTC6801電池監(jiān)視器都可以疊置。

由于疊置的器件工作電壓不同，因此要AC耦合使能和狀態(tài)信號。

供應(yīng)一個用于狀態(tài)線的持續(xù)時鐘是一項(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)中出現(xiàn)失效，這種失效會錯誤地指示系統(tǒng)一切正常。這將導(dǎo)致故障監(jiān)視電路失去用途。當(dāng)采用一種按時方法時，監(jiān)視器件必須持續(xù)執(zhí)行某些操作以保持時鐘的運(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)行差分按時。關(guān)于高電壓電池組，常常要供應(yīng)針對控制器電源的隔離。當(dāng)采用差分時鐘信號時，增設(shè)隔離變壓器是相當(dāng)容易的。這是器件設(shè)計中另一項(xiàng)旨在強(qiáng)化容錯/安全性的考慮。

假如監(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，但是怎么樣才能確保監(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供應(yīng)內(nèi)置的自動自測試功能。這種自測試功能可以按需啟動，或者在每完成1024個電池測試周期后自動執(zhí)行，自動測試用17ms時間就可以結(jié)束。圖2的電路顯示，可以怎么樣連接LTC6802-1器件，以允許按需運(yùn)行自測試功能。一個單獨(dú)的輸出引腳供應(yīng)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)輸出時鐘。自測試檢查4個重要功能。

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，要對第二個內(nèi)部電壓基準(zhǔn)測量3次。第一次測量在一個嚴(yán)格的窗口內(nèi)比較該基準(zhǔn)與兩個門限值，而且絕不能出現(xiàn)超出范圍的指示。接著，將較高的門限值降至一個僅低于所期望的電壓值，進(jìn)行第二次電壓基準(zhǔn)測量，這時比較器應(yīng)該出現(xiàn)一個過壓指示。最后，較低的門限設(shè)定為高于所期望的電壓，這時應(yīng)該出現(xiàn)一個欠壓指示。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)用兩個測試信號，將出現(xiàn)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。假如開關(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)電池輸入通道上出現(xiàn)過壓或欠壓指示。這種自測試確保每節(jié)電池都得到測量，或確保將錯誤被標(biāo)記出來。

第四個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)電池都用一個連接到電池每一端的100uA小吸收電流進(jìn)行測量。假如連接到電池的導(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，將出現(xiàn)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，可以更加有把握地確定，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，鋰離子電池的工作溫度是一個重要因素。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。假如輸入電壓高于1.5V,那么就被認(rèn)為狀態(tài)良好，假如輸入低于該門限，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。假如環(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)輸出時鐘就中斷，所采用的方法與發(fā)生電池電壓故障時所用方法相同。

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溫度輸入引腳完成。

這個例子在-20°C至+60°C的窗口中監(jiān)視系統(tǒng)工作溫度。假如超出溫度限制，就標(biāo)記出錯。

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，可供應(yīng)一種復(fù)核功能，復(fù)核所有系統(tǒng)組件是否正常運(yùn)行。假如運(yùn)作失常，就會供應(yīng)一個標(biāo)記，以啟動解決問題的程序。這有助于給最終產(chǎn)品的可靠性新增安全性，這么做永遠(yuǎn)都不是壞事。