电动 / 混合电动汽车电池管理系统的可靠性

作者：凌力尔特公司信号调理产品应用经理 Tim Regan

为电动汽车 (EV) 和混合电动汽车 (HEV) 设计可靠的电池管理系统时，有一系列方法可以考虑。就实现可靠性而言，一种方法是采用完全冗余的电路，当然此时假定费用不成问题。这类系统使用完全一样的电路并行执行相同的功能，并就结果进行某种形式的表决，以总是获得最安全的效果。在这类系统中，如果检测到故障电路，就自动停止使用故障电路，并由一个同样的备份电路取代该故障电路。然而，在有些系统中，故障的后果并不能用高昂成本的冗余电路来承担。那么，这类系统可能只依靠每个所用组件的内置可靠性。尽管能以最低成本提供具有这种特点的设计，但是这种设计有很大的风险。不过，对这个问题有一种最佳的解决办法。

高可靠性系统的中庸解决之道是故障监视，采用这种办法时，电路监视各种不同的系统组件，并报告任何异常现象。既然故障可能在任何时间、在电路中的任何地方出现，因此监视的组件越多越好。对检测到的故障的反应既可以是彻底的系统停机，也可以是类似汽车中的报警灯之类的简单服务告警。

实现更长电池寿命的挑战

锂离子电池因高能量密度而广受欢迎，与具有同等能量的其他化学组成的电池相比，由锂离子电池组成的电池组会更小和更轻。就诸如电动型汽车等大功率应用而言，数百个电池叠置在一起，以构成一个高压电源，从而使较小的电流通过较细和重量较轻的配线。在这类汽车应用中，驾驶员的安全是最重要的，接下来是车主的满意度。因此，有强大的动力驱使人们实现安全和可靠的长期运行。为达到此目的，必须连续监视每一节电池上的电量，以在数年使用中一直保持最佳水平。

最简单的形式是，要求电路测量电池组中每节电池上的电压。这种测量一般由一个模数转换器 (ADC) 执行，该 ADC 将信息传递给一个微控制器。该控制器仔细管理所有电池的充电和放电，以使这些电池使用时不超出一个严格的范围，因超出这个范围可能极大地缩短电池的寿命。在系统中有数百个电池时，一个集成的测量电路可以极大地减少组件数量。凌力尔特公司的 LTC6802 就是这样一种集成的功能构件，该器件通过一个内置的 12 位 ADC 测量多达 12 节电池的电压。任何数量的电池都可以相互叠置，以 12 个电池为一组，将所测得的每组电压串行传送到一个主微控制器。这些组件构成了电池管理系统的核心。

就延长电池的可用寿命而言，仔细控制每节电池的充电状态非常重要，但是要满足日益苛刻的汽车客户的要求，这也许还不够。要使客户长期满意、无忧无虑，对系统进行"假设-结果"分析是必要的。要考虑的几个关键问题是：要是一条连接到电池的导线断开了会怎么样？如果电压测量准确度偏移了会怎么样？要是测量 IC 不知怎么被系统电压瞬态损坏了又会怎么样?

大多数隐伏的故障都会使控制器认为电池或电池组处于完美状态，而事实上，电池没有得到准确测量。然后，在没有向系统提供警报的情况下，这些电池可能完全放电或被危险地过冲电。需要某个东西来"监视监视器"，以实现更高水平的可靠运行。

BMS 故障监视

作为完全冗余测量方法的替代方法，故障监视电路与测量器件并联连接，并起到对系统基本功能进行复核的作用。图 1 电路显示了这种方法的电路实现，该电路采用 LTC6802 测量器件，用于一个由 12 节锂离子电池组成的电池组，还采用了一个伴随的 LTC6801 故障监视器件。

图 1：LTC6802 提供精准测量，而 LTC6801 检查每节电池的过压/欠压情况

LTC6802-1 是系统中的主要电子器件，按照指令测量并报告每节电池的电压，以及给电池加上放电电流以在每节电池上分配电量。同时，LTC6801 也监视电池组上的每节电池。不用系统控制器的干预，LTC6801 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。如果一切正常，那么 LTC6801 就在状态输出 (Status Output) 线上提供一个差分时钟信号。如果有事情不对头，这个时钟就停止。它不提供有关问题实质的信息，它仅表明有些情况不太正常。这个时钟一旦停止，控制器就可以执行诊断程序，以确定问题的具体性质。

LTC6801 在设计时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，允许该器件在没有任何软件的情况下自动工作。惟一的外部要求是由电池组本身提供的电源，以及一个使能时钟信号。如果没有使能时钟输入，LTC6801 就停在静态低功率状态。该器件工作特性的所有设定都由器件引脚搭接完成，无需外部组件。

任何数量的 LTC6801 都可以相互叠置，以在电压非常高的