通过LTC6801故障监视IC提高电池组的长期可靠性

关于长寿命电池电源面对的挑战

关于电动汽车和大量其它类型的便携式设备来说，电池已经成为一种重要的非传统能源。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。关于大功率应用来说，如电动型汽车，要叠置数百个电池以形成一个高压电源，这种电源出现更小的电流，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。凌力尔特公司供应的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。

关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：

1.假如连接电池的一条导线断开了会怎么样?

2.假如电压测量准确度偏移会怎么样?

3.假如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?

4.假如测量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。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法是，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用途。图1电路显示对一个由12个锂离子电池组成的电池组执行的这种方法，该方法使用一个LTC6802测量器件和一个伴随的LTC6801故障监视器件。

图1：结合电池测量与故障检测，以提高可靠性。

LTC6802供应准确的测量，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成为该系统中的重要电子组件。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。假如所有情况都正常，那么LTC6801就在状态输出(StatusOutput)线上供应一个差分时钟信号。假如有任何事情不正确，那么这个时钟就停止。至于问题的本质，LTC6801不供应任何信息，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(由电池组本身供应)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)供应。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。

图2：LTC6801的内部电路供应的不仅是简单的比较器功能

REGULATOR：稳压器

MUX：多工器

REFERENCE：基准

SELFTESTREFERENCE：自测试基准

DIGITALCOMpARATORS：数字比较器

DECODER：解码器

UV/OVFLAGSANDCONTROLLOGIC：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3VADC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。

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。

CellVoltageThresholds：电池电压门限

CellVoltage：电池电压

pinStrapprogrammingVoltageCombinations：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范围。选择过压(OV)门限是为了使用具有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应一个合理的指示。OV和UV门限由不同的引脚设定，因此任何组合都有可能。OV和UV电平必须设定，以在不是太接近正常电池电压时，就可指示某件事可能出错了，否则有可能引起故障检测电路出现讨厌的跳变。

还有可能给这些门限设定高达500mV的固定迟滞。当检测到的故障触发的动作有可能引起电池上的电压变化时，如立即断开负载与电池组的连接，设定固定迟滞很有用。迟滞可以防止跳进和跳出故障状态。

另外两个可以通过引脚搭接设定的功能是，电池检查的重复率以及所连接的电池数量。所有12节电池以及温度输入都可以每隔15ms、130ms或500ms检查一次。较小的占空比导致从电池组抽取的电源电流较小。电池数量可以在4节到12节之间设定。这确保只对实际连接的电池进行故障检测。

可以将任意数目的LTC6801彼此堆叠起来，以监视非常高电压系统中数百个单独的电池，见图4。启用时钟被缓冲，两条信号线上的输出连接到电池组中下一个较高端器件的使能输入。启用时钟蜿蜒地进出每个器件，一直到电池组的顶端。同样，每个器件非常重要的状态输出时钟向下传递至电池组中下一个较低端器件的状态输入引脚。状态时钟的频率与启用时钟相同，并可位于2kHz至50kHz之间。假如任何时间在任何电池组的任何地方检测到任何故障，则负责监视受损电池的器件的状态时钟将停止电平变换。该静态条件将沿着电池组向下传播至底端器件。运用某种形式的边缘检测的任何器件(例如：看门狗按时器或计数器捕获/比较功能部件)均可用于监视电池组中底端器件的状态输出线。当某个时钟转换被错过时，该器件能够出现信号以对一般性故障进行维修。

图4：任何数量的LTC6801电池监视器都可以叠置。

由于叠置的器件工作电压不同，因此要AC耦合使能和状态信号。

供应一个用于状态线的持续时钟是一项重要的功能。使用一种静态逻辑电平来指示所有的系统故障始终有可能在逻辑状态中出现失效，这种失效会错误地指示系统一切正常。这将导致故障监视电路失去用途。当采用一种按时方法时，监视器件必须持续执行某些操作以保持时钟的运行，而且系统的一切都必须处于正确的状态，否则它将停止运作。在正常(OK)状态中，故障信号不会被“阻塞”。为了增强抗逻辑噪声性能，需沿着电池组上下地对LTC6801进行差分按时。关于高电压电池组，常常要供应针对控制器电源的隔离。当采用差分时钟信号时，增设隔离变压器是相当容易的。这是器件设计中另一项旨在强化容错/安全性的考虑。

假如监视器件有问题会怎么样?

毫无疑问，通过冗余监视提高了系统可靠性，但是怎么样才能确保监视器件本身正确运行呢?要防止不可检测的故障模式，这一点非常重要。为了满足这种要求，LTC6801供应内置的自动自测试功能。这种自测试功能可以按需启动，或者在每完成1024个电池测试周期后自动执行，自动测试用17ms时间就可以结束。图2的电路显示，可以怎么样连接LTC6802-1器件，以允许按需运行自测试功能。一个单独的输出引脚供应的信号表明该器件是否执行了所有自测试功能，而且不中断电池状态输出时钟。自测试检查4个重要功能。

测试内容之一是，检查ADC、电压基准和比较器是否正确运行。为了进行这一测试，要对第二个内部电压基准测量3次。第一次测量在一个严格的窗口内比较该基准与两个门限值，而且绝不能出现超出范围的指示。接着，将较高的门限值降至一个仅低于所期望的电压值，进行第二次电压基准测量，这时比较器应该出现一个过压指示。最后，较低的门限设定为高于所期望的电压，这时应该出现一个欠压指示。这样就可以有把握地确定，ADC的模拟部分工作正常，而且比较门限可以改变并且是准确的。

ADC的数字部分也要测试。应用两个测试信号，将出现由交替的“1”和“0”组成的数字输出读数。12位输出代码将是0xAAA或0x555。这证实没有ADC输出位固定在高或低电平上。

连接电池的高压多工器也要测试。假如开关的地址解码器出现故障，那么一节或多节电池有可能被跳过，而其它电池则被重复测量。跳过电池会意味着，坏电池可能未被检测到。其它多工器故障(例如同时选择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出现过压或欠压指示。这种自测试确保每节电池都得到测量，或确保将错误被标记出来。

第四个非常重要的自测试功能确定是否有电池连接是开路的。就这项测试而言，对每节电池都用一个连接到电池每一端的100uA小吸收电流进行测量。假如连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测量，将出现过压指示并被标记出来。

这种周期性的自测试增强了系统运行的可靠性。通过检查执行检查功能的器件，可以更加有把握地确定，所有事情都处于良好运行状态。

粗略的温度输入

在了解每节电池的充电状态时，锂离子电池的工作温度是一个重要因素。温度由LTC6802-1等电池管理器件准确测量。故障监视器件LTC6801还有两个粗略的温度输入。这些读数之所以是粗略的，是因为到温度引脚的电压输入只是简单地与VREF/2或1.5V门限作了比较。假如输入电压高于1.5V，那么就被认为状态良好，假如输入低于该门限，就被认为出现了故障。以图5所示的分压器形式安置诸如热敏电阻等温度传感器和电阻器，可以形成简单的温度过高/过低监视功能。假如环境温度或特定的温度点超出了预定的范围，那么状态输出时钟就中断，所采用的方法与发生电池电压故障时所用方法相同。

图5：粗略温度检测有可能通过到内部电压比较器的两个温度输入引脚完成。

这个例子在-20°C至+60°C的窗口中监视系统工作温度。假如超出温度限制，就标记出错。

结论

在系统中保持所有电池有正确的电量将延长昂贵的电池组的使用年限。在诸如电动型汽车等汽车系统以及不中断电源备份系统中，这对获得客户满意极其重要。采用LTC6801是一种经济实惠的方式，它可通过冗余故障监视改善锂离子电池管理系统的长期可靠性。LTC6801与更准确的电池管理系统一起运行，可供应一种复核功能，复核所有系统组件是否正常运行。假如运作失常，就会供应一个标记，以启动解决问题的程序。这有助于给最终产品的可靠性新增安全性，这么做永远都不是坏事。