鉅大LARGE | 點擊量:677次 | 2021年12月22日
電動/ 混合電動汽車電池管理系統(tǒng)的可靠性
為電動汽車(EV)和混合電動汽車(HEV)設計可靠的電池管理系統(tǒng)時,有一系列方法可以考慮。就實現(xiàn)可靠性而言,一種方法是采用完全冗余的電路,當然此時假定費用不成問題。這類系統(tǒng)使用完全相同的電路并行執(zhí)行相同的功能,并就結果進行某種形式的表決,以總是獲得最安全的效果。在這類系統(tǒng)中,假如檢測到故障電路,就自動停止使用故障電路,并由一個同樣的備份電路取代該故障電路。然而,在有些系統(tǒng)中,故障的后果并不能用高昂成本的冗余電路來承擔。那么,這類系統(tǒng)可能只依靠每個所用組件的內置可靠性。盡管能以最低成本供應具有這種特點的設計,但是這種設計有很大的風險。不過,對這個問題有一種最佳的解決辦法。
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,電路監(jiān)視各種不同的系統(tǒng)組件,并報告任何異常現(xiàn)象。既然故障可能在任何時間、在電路中的任何地方出現(xiàn),因此監(jiān)視的組件越多越好。對檢測到的故障的反應既可以是徹底的系統(tǒng)停機,也可以是類似汽車中的報警燈之類的簡單服務告警。
實現(xiàn)更長電池壽命的挑戰(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組成的電池相比,由鋰離子電池組成的電池組會更小和更輕。就諸如電動型汽車等大功率應用而言,數(shù)百個電池疊置在一起,以構成一個高壓電源,從而使較小的電流通過較細和重量較輕的配線。在這類汽車應用中,駕駛員的安全是最重要的,接下來是車主的滿意度。因此,有強大的動力驅使人們實現(xiàn)安全和可靠的長期運行。為達到此目的,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。
最簡單的形式是,要求電路測量電池組中每節(jié)電池上的電壓。這種測量一般由一個模數(shù)轉換器(ADC)執(zhí)行,該ADC將信息傳遞給一個微控制器。該控制器仔細管理所有電池的充電和放電,以使這些電池使用時不超出一個嚴格的范圍,因超出這個范圍可能極大地縮短電池的壽命。在系統(tǒng)中有數(shù)百個電池時,一個集成的測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件,該器件通過一個內置的12位ADC測量多達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個電池為一組,將所測得的每組電壓串行傳送到一個主微控制器。這些組件構成了電池管理系統(tǒng)的核心。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
就延長電池的可用壽命而言,仔細控制每節(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。要使客戶長期滿意、無憂無慮,對系統(tǒng)進行“假設-結果”分析是必要的。要考慮的幾個關鍵問題是:要是一條連接到電池的導線斷開了會怎么樣?假如電壓測量準確度偏移了會怎么樣?要是測量IC不知怎么被系統(tǒng)電壓瞬態(tài)損壞了又會怎么樣?
大多數(shù)隱伏的故障都會使控制器認為電池或電池組處于完美狀態(tài),而事實上,電池沒有得到準確測量。然后,在沒有向系統(tǒng)供應警報的情況下,這些電池可能完全放電或被危險地過沖電。要某個東西來“監(jiān)視監(jiān)視器”,以實現(xiàn)更高水平的可靠運行。
BMS故障監(jiān)視
作為完全冗余測量方法的替代方法,故障監(jiān)視電路與測量器件并聯(lián)連接,并起到對系統(tǒng)基本功能進行復核的用途。圖1電路顯示了這種方法的電路實現(xiàn),該電路采用LTC6802測量器件,用于一個由12節(jié)鋰離子電池組成的電池組,還采用了一個伴隨的LTC6801故障監(jiān)視器件。
LTC6801在設計時仔細考慮了很多潛在的系統(tǒng)故障,同時還具有易用性。一個重要的設計要求是,允許該器件在沒有任何軟件的情況下自動工作。惟一的外部要求是由電池組本身供應的電源,以及一個使能時鐘信號。假如沒有使能時鐘輸入,LTC6801就停在靜態(tài)低功率狀態(tài)。該器件工作特性的所有設定都由器件引腳搭接完成,無需外部組件。
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)百個電池(參見圖2)。使能時鐘經(jīng)過緩沖,并且是在兩條信號線上輸出,這兩條信號線連接至這組器件中上一個器件的使能輸入。該使能時鐘在每個器件中進出,一直到這組器件的頂端。類似地,來自每個器件最重要的狀態(tài)輸出時鐘向下傳遞到這組器件中下一個器件的狀態(tài)輸入(StatusInput)引腳。假如在任何時間、在電池組任何地方的任何電池上檢測到任何故障,監(jiān)視問題電池的那個器件的狀態(tài)時鐘就停止觸發(fā)。這種靜止狀態(tài)將沿著這組器件一直傳遞到最底端的器件。時鐘轉換停止后,這個器件就可以發(fā)出檢修故障的信號。
監(jiān)視器件的問題
毫無疑問,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?防止不可檢測的故障模式是非常重要的。為了解決這個問題,LTC6801供應一種內置的自動自測試功能。該自測試功能可在每1024個測試周期后自動執(zhí)行。這種自測試檢查4種重要功能。
檢查ADC、電壓基準和比較器是否正常工作是測試內容之一。檢查內部基準電壓以確保它處于嚴格的窗口之內。另外,欠壓和過壓狀態(tài)也是內部出現(xiàn)的,比較器必須有響應。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確的。
ADC的數(shù)字部分也要測試。兩個測試信號強制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,沒有ADC位被固定。
多路復用器開關故障可能導致一節(jié)或多節(jié)電池被跳過,而其他電池則被反復測量。跳過電池意味著,壞電池可能未檢測到。自測試確保每節(jié)電池都得到測量,或每個錯誤都得到標記。
第四個非常重要的自測試功能決定是否有電池連接是開路的。就這項測試而言,每節(jié)電池都用很小的100uA下拉電流進行測量,就一個開路的電池連接而言,該電流將出現(xiàn)誤差。這種周期性的自測試使系統(tǒng)能更加可靠地運行。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?shù)某潆娝?,將使昂貴電池組的服務時間延長數(shù)年。LTC6801是一種經(jīng)濟實惠的方式,可通過冗余故障監(jiān)視改善鋰離子電池管理系統(tǒng)的長期可靠性。LTC6801與更精準的電池測量系統(tǒng)并聯(lián)運行,供應了一種復核功能,可檢查是否所有系統(tǒng)組件都在正常運行,從而增強了安全性和可靠性。