基于LTC6801的电池管理系统 (BMS) 的故障监视

本文将阐述如何通过使用 LTC6801 故障监视 IC，提高一种高压锂离子电池组的长期可靠性。在电动型汽车、不中断电源、医疗仪器甚至电动工具等应用中，用电池作电源是一种持续不断的发展趋势，这些应用每种都有不同程度的可靠性预期。

　　长寿命电池电源面临的挑战

　　对于电动车和大量其它类型的便携式设备来说，电池已经成为一种主要的非传统能源。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。对于大功率应用来说，如电动型汽车，需要叠置数百个电池以形成一个高压电源，这种电源产生更小的电流，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。凌力尔特公司提供的 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。

　　对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：

　　如果连接电池的一条导线断开了会怎么样?

　　如果电压测量准确度偏移会怎么样?

　　如果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?

　　如果测量 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。需要某个东西来"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案是，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作用。图 1 电路显示对一个由 12 个锂离子电池组成的电池组实施的这种方案，该方案使用一个 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 提供准确的测量，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 成为该系统中的主要电子组件。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。如果所有情况都正常，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 不提供任何信息，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 (由电池组本身提供) 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) 提供。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 的内部电路提供的不仅是简单的比较器功能

　　REGULATOR：稳压器

　　MUX：多工器

　　REFERENCE：基准

　　SELF TEST REFERENCE：自测试基准

　　DIGITAL COMPARATORS：数字比较器

DECODER