鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：756次 | 2020年07月09日
電動(dòng)/混合電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的可靠性
高可靠性系統(tǒng)的中庸解決之道是故障監(jiān)視，采用這種辦法時(shí)，電路監(jiān)視各種不同的系統(tǒng)組件，并報(bào)告任何異常現(xiàn)象。既然故障可能在任何時(shí)間、在電路中的任何地方出現(xiàn)，因此監(jiān)視的組件越多越好。對(duì)檢測(cè)到的故障的反應(yīng)既可以是徹底的系統(tǒng)停機(jī)，也可以是類似汽車中的報(bào)警燈之類的簡(jiǎn)單服務(wù)告警。
實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)電池壽命的挑戰(zhàn)
鋰離子電池因高能量密度而廣受歡迎，與具有同等能量的其他化學(xué)組成的電池相比，由鋰離子電池組成的電池組會(huì)更小和更輕。就諸如電動(dòng)型汽車等大功率應(yīng)用而言，數(shù)百個(gè)電池疊置在一起，以構(gòu)成一個(gè)高壓電源，從而使較小的電流通過較細(xì)和重量較輕的配線。在這類汽車應(yīng)用中，駕駛員的安全是最重要的，接下來是車主的滿意度。因此，有強(qiáng)大的動(dòng)力驅(qū)使人們實(shí)現(xiàn)安全和可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行。為達(dá)到此目的，必須持續(xù)監(jiān)視每一節(jié)電池上的電量，以在數(shù)年使用中一直保持最佳水平。
最簡(jiǎn)單的形式是，要求電路測(cè)量電池組中每節(jié)電池上的電壓。這種測(cè)量一般由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)執(zhí)行，該ADC將信息傳遞給一個(gè)微控制器。該控制器仔細(xì)管理所有電池的充電和放電，以使這些電池使用時(shí)不超出一個(gè)嚴(yán)格的范圍，因超出這個(gè)范圍可能極大地縮短電池的壽命。在系統(tǒng)中有數(shù)百個(gè)電池時(shí)，一個(gè)集成的測(cè)量電路可以極大地減少組件數(shù)量。凌力爾特公司的LTC6802就是這樣一種集成的功能構(gòu)件，該器件通過一個(gè)內(nèi)置的12位ADC測(cè)量多達(dá)12節(jié)電池的電壓。任何數(shù)量的電池都可以相互疊置，以12個(gè)電池為一組，將所測(cè)得的每組電壓串行傳送到一個(gè)主微控制器。這些組件構(gòu)成了電池管理系統(tǒng)的核心。
就延長(zhǎng)電池的可用壽命而言，仔細(xì)控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)非常重要，但是要滿足日益苛刻的汽車客戶的要求，這也許還不夠。要使客戶長(zhǎng)期滿意、無(wú)憂無(wú)慮，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行假設(shè)-結(jié)果分析是必要的。要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問題是：要是一條連接到電池的導(dǎo)線斷開了會(huì)怎么樣？假如電壓測(cè)量準(zhǔn)確度偏移了會(huì)怎么樣？要是測(cè)量IC不知怎么被系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了又會(huì)怎么樣?
大多數(shù)隱伏的故障都會(huì)使控制器認(rèn)為電池或電池組處于完美狀態(tài)，而事實(shí)上，電池沒有得到準(zhǔn)確測(cè)量。然后，在沒有向系統(tǒng)供應(yīng)警報(bào)的情況下，這些電池可能完全放電或被危險(xiǎn)地過沖電。要某個(gè)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。
BMS故障監(jiān)視
作為完全冗余測(cè)量方法的替代方法，故障監(jiān)視電路與測(cè)量器件并聯(lián)連接，并起到對(duì)系統(tǒng)基本功能進(jìn)行復(fù)核的用途。圖1電路顯示了這種方法的電路實(shí)現(xiàn)，該電路采用LTC6802測(cè)量器件，用于一個(gè)由12節(jié)鋰離子電池組成的電池組，還采用了一個(gè)伴隨的LTC6801故障監(jiān)視器件。
LTC6801在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障，同時(shí)還具有易用性。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求是，允許該器件在沒有任何軟件的情況下自動(dòng)工作。惟一的外部要求是由電池組本身供應(yīng)的電源，以及一個(gè)使能時(shí)鐘信號(hào)。假如沒有使能時(shí)鐘輸入，LTC6801就停在靜態(tài)低功率狀態(tài)。該器件工作特性的所有設(shè)定都由器件引腳搭接完成，無(wú)需外部組件。
任何數(shù)量的LTC6801都可以相互疊置，以在電壓非常高的系統(tǒng)中監(jiān)視數(shù)百個(gè)電池(參見圖2)。使能時(shí)鐘經(jīng)過緩沖，并且是在兩條信號(hào)線上輸出，這兩條信號(hào)線連接至這組器件中上一個(gè)器件的使能輸入。該使能時(shí)鐘在每個(gè)器件中進(jìn)出，一直到這組器件的頂端。類似地，來自每個(gè)器件最重要的狀態(tài)輸出時(shí)鐘向下傳遞到這組器件中下一個(gè)器件的狀態(tài)輸入(StatusInput)引腳。假如在任何時(shí)間、在電池組任何地方的任何電池上檢測(cè)到任何故障，監(jiān)視問題電池的那個(gè)器件的狀態(tài)時(shí)鐘就停止觸發(fā)。這種靜止?fàn)顟B(tài)將沿著這組器件一直傳遞到最底端的器件。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換停止后，這個(gè)器件就可以發(fā)出檢修故障的信號(hào)。
為狀態(tài)線供應(yīng)持續(xù)時(shí)鐘是一種重要的功能。在指示系統(tǒng)中是否一切正常時(shí)，標(biāo)記任何系統(tǒng)故障的靜態(tài)邏輯電平都有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的邏輯狀態(tài)。這會(huì)使故障監(jiān)視方法失去用途。采用時(shí)鐘機(jī)制，監(jiān)視器件必須持續(xù)工作，以保持時(shí)鐘運(yùn)行，而且系統(tǒng)中一切都必須正常，否則它就停止。故障信號(hào)不可能固定在一切正常狀態(tài)。
監(jiān)視器件的問題
毫無(wú)疑問，通過冗余監(jiān)視提高了系統(tǒng)的可靠性，但是怎么樣才能確保監(jiān)視器件本身正常工作呢？防止不可檢測(cè)的故障模式是非常重要的。為了解決這個(gè)問題，LTC6801供應(yīng)一種內(nèi)置的自動(dòng)自測(cè)試功能。該自測(cè)試功能可在每1024個(gè)測(cè)試周期后自動(dòng)執(zhí)行。這種自測(cè)試檢查4種重要功能。
檢查ADC、電壓基準(zhǔn)和比較器是否正常工作是測(cè)試內(nèi)容之一。檢查內(nèi)部基準(zhǔn)電壓以確保它處于嚴(yán)格的窗口之內(nèi)。另外，欠壓和過壓狀態(tài)也是內(nèi)部出現(xiàn)的，比較器必須有響應(yīng)。這樣就可以有把握地保證ADC的模擬部分工作正常，而且同樣有把握的是，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(cè)試。兩個(gè)測(cè)試信號(hào)強(qiáng)制12位輸出編碼為0xAAA或0x555，在1和0之間交替變化。這樣就可以確認(rèn)，沒有ADC位被固定。
多路復(fù)用器開關(guān)故障可能導(dǎo)致一節(jié)或多節(jié)電池被跳過，而其他電池則被反復(fù)測(cè)量。跳過電池意味著，壞電池可能未檢測(cè)到。自測(cè)試確保每節(jié)電池都得到測(cè)量，或每個(gè)錯(cuò)誤都得到標(biāo)記。
第四個(gè)非常重要的自測(cè)試功能決定是否有電池連接是開路的。就這項(xiàng)測(cè)試而言，每節(jié)電池都用很小的100uA下拉電流進(jìn)行測(cè)量，就一個(gè)開路的電池連接而言，該電流將出現(xiàn)誤差。這種周期性的自測(cè)試使系統(tǒng)能更加可靠地運(yùn)行。檢查正在執(zhí)行檢查功能的器件，能更加肯定系統(tǒng)中一切正常。
在系統(tǒng)中保持所有電池都處于恰當(dāng)?shù)某潆娝剑瑢⑹拱嘿F電池組的服務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)數(shù)年。LTC6801是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式，可通過冗余故障監(jiān)視改善鋰離子電池管理系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。LTC6801與更精準(zhǔn)的電池測(cè)量系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，供應(yīng)了一種復(fù)核功能，可檢查是否所有系統(tǒng)組件都在正常運(yùn)行，從而增強(qiáng)了安全性和可靠性。
