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時，有一系列方法可以考慮。就實現可靠性而言，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。這類系統使用完全一樣的電路并行執行相同的功能，并就結果進行某種形式的表決，以總是獲得最安全的效果。在這類系統中，如果檢測到故障電路，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。盡管能以最低成本提供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。

高可靠性系統的中庸解決之道是故障監視，采用這種辦法時，電路監視各種不同的系統組件，并報告任何異常現象。既然故障可能在任何時間、在電路中的任何地方出現，因此監視的組件越多越好。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。

實現更長電池壽命的挑戰

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安全和可靠的長期運行。為達到此目的，必須連續監視每一節電池上的電量，以在數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電池上的電壓。這種測量一般由一個模數轉換器 (ADC) 執行，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。在系統中有數百個電池時，一個集成的測量電路可以極大地減少組件數量。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 節電池的電壓。任何數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的核心。

就延長電池的可用壽命而言，仔細控制每節電池的充電狀態非常重要，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？如果電壓測量準確度偏移了會怎么樣？要是測量 IC 不知怎么被系統電壓瞬態損壞了又會怎么樣?

大多數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，而事實上，電池沒有得到準確測量。然后，在沒有向系統提供警報的情況下，這些電池可能完全放電或被危險地過沖電。需要某個東西來“監視監視器”，以實現更高水平的可靠運行。

BMS 故障監視

作為完全冗余測量方法的替代方法，故障監視電路與測量器件并聯連接，并起到對系統基本功能進行復核的作用。圖 1 電路顯示了這種方法的電路實現，該電路采用 LTC6802 測量器件，用于一個由 12 節鋰離子電池組成的電池組，還采用了一個伴隨的 LTC6801 故障監視器件。

LTC6802-1 是系統中的主要電子器件，按照指令測量并報告每節電池的電壓，以及給電池加上放電電流以在每節電池上分配電量。同時，LTC6801 也監視電池組上的每節電池。不用系統控制器的干預，LTC6801 周期性地對每節電池的電壓采樣，并執行簡單的欠壓和過壓比較。如果一切正常，那么 LTC6801 就在狀態輸出 (Status Output) 線上提供一個差分時鐘信號。如果有事情不對頭，這個時鐘就停止。它不提供有關問題實質的信息，它僅表明有些情況不太正常。這個時鐘一旦停止，控制器就可以執行診斷程序，以確定問題的具體性質。

LTC6801 在設計時仔細考慮了很多潛在的系統故障，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提供的電源，以及一個使能時鐘信號。如果沒有使能時鐘輸入，LTC6801 就停在靜態低功率狀態。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。

任何數量的 LTC6801 都可以相互疊置，以在電壓非常高的系統中監視數百個電池 (參見圖 2)。使能時鐘經過緩沖，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輸出時鐘向下傳遞到這組器件中下一個器件的狀態輸入 (Status Input) 引腳。如果在任何時間、在電池組任何地方的任何電池上檢測到任何故障，監視問題電池的那個器件的狀態時鐘就停止觸發。這種靜止狀態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，這個器件就可以發出檢修故障的信號。

為狀態線提供連續時鐘是一種重要的功能。在指示系統中是否一切正常時，標記任何系統故障的靜態邏輯電平都有可能出現錯誤的邏輯狀態。這會使故障監視方案失去作用。采用時鐘機制，監視器件必須連續工作，以保持時鐘運行，而且系統中一切都必須正常，否則它就停止。故障信號不可能固定在一切正常狀態。

監視器件的問題

毫無疑問，通過冗余監視提高了系統的可靠性，但是怎樣才能確保監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 提供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行。這種自測試檢查 4 種主要功能。

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，欠壓和過壓狀態也是內部產生的，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或多節電池被跳過，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，該電流將產生誤差。這種周期性的自測試使系統能更加可靠地運行。檢查正在執行檢查功能的器件，能更加肯定系統中一切正常。

在系統中保持所有電池都處于恰當的充電水平，將使昂貴電池組的服務時間延長數年。LTC6801 是一種經濟實惠的方式，可通過冗余故障監視改善鋰離子電池管理系統的長期可靠性。LTC6801 與更精準的電池測量系統并聯運行，提供了一種復核功能，可檢查是否所有系統組件都在正常運行，從而增強了安全性和可靠性。