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如何利用热插拔确定BMS单元连接序列

时间:2018-10-09 作者:Robert Grist, 瑞萨电子株式会社 阅读:
检测BMS设备热插拔稳健性需要几个“活跃”的单元连接,鉴于拥有多个有线BMS到电池组间的连接,BMS设备必须具备强大的热插拔性能。它必须能够应对在生产或应用环境中执行的任何连接顺序。每次连接新电池组时,BMS控制器都会面对热插拔的情况……
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目前,锂离子(Li-ion)电池技术被应用于各种便携式系统,包括真空吸尘器、锄草设备、手持式电动工具、电动自行车和能量存储系统。与其他化学电池相比,锂离子电池体积更小,重量更轻,电池寿命更长,但需要监控和保护以确保使用安全。

电池管理系统(BMS)的主要任务是保护电池组,而电池组监视器是协助保护BMS设备的关键。它监控每个电池组的电压,以及整个电池组的电压、温度和电流。监控这些参数使BMS控制器能够为整个电池组及其各电池单元提供安全的运行窗口。

BMS设备运行包含很多方面内容,但本文将主要讨论热插拔排序以及如何实现电池连接序列,而这些序列决定了BMS设备的热插拔性能。大多数工程师都熟悉热插拔这个术语,但是在处理BMS设备和开发热插拔测试排列时,由于存在大量BMS连接,工程师需要时刻牢记其功效。单个电池组监视器可以连接多达15个以上的热插拔。

热插拔测试运行条件

检测BMS设备热插拔稳健性需要几个“活跃”的单元连接,如图1所示。由于电池单元没有断电开关,所以连接会具备有源拉/灌电压。鉴于拥有多个有线BMS到电池组间的连接,BMS设备必须具备强大的热插拔性能。它必须能够应对在生产或应用环境中执行的任何连接顺序。每次连接新电池组时,BMS控制器都会面对热插拔的情况。

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图1 热插拔测试需要可编程的切换以对每个单元连接进行控制/定时

热插拔期间的主要问题之一是BMS设备的各种电路区块在主电轨连通前就开始通电,这可能会导致电路运行异常。电池组监视器(如ISL94203或ISL94202)可通过在热插拔期间控制关键电路节点阻抗来解决这个问题。

热插拔测试的目标

在热插拔过程中可能会出现许多设备异常的情况,因此在热插拔测试过程中完成故障检测目标非常重要。

损坏的POR——异常状态-机器启动:此问题在于BMS控制设备需要在所有连接完成之前启动,这虽然不会造成毁灭性结果,但它可能导致生产过程中的ATE故障。过早的POR可能导致启动失败。因此,新的热插拔测试方法要能够在电池组连接过程中检测过早的POR或设备激活。

内部逻辑故障——数字状态异常:当数字逻辑电平具有亚稳态时会发生这种情况,亚稳态是逻辑电平介于有效电压阈值之间的水平状态。结果是数字状态寄存器报告异常字位组合。因此,测试装置必须在热插拔测试期间支持设备通信(I2C,SPI),如表1所示。异常数字状态可能会导致ATE故障,需要重新启动设备。

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表1 热插拔测试通过I2C或SPI通信总线记录BMS设备的内部寄存器

模拟偏置故障——电压读数不准:这是内部模拟参考或偏置电平未达到合适水平的情况。异常偏差可能导致内部和测量模拟值的持久性偏差。这些偏差可能导致永久性错误,需要重新进行完整的供电循环才能清除。图2显示了热插拔序列完成后模拟多路复用器(MUX)测量的数据。

 

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图2 模拟电压测量可实现MUX性能的变化检测

制定热插拔连接序列

BMS热插拔稳定性需要解决随机功率序列的问题。这些序列定义了从单元测量节点到有源单元电压的连接顺序。这些序列定义本身就可以成为一项研究项目,以往在热插拔测试方面的经验表明这可能需要数千个连接序列。图3展示了热插拔测试的交换连接序列。在开发新的连接序列时,本文提供了一些不同的思路,这些都是多年测试开发积累的成果。

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图3 包含交换连接序列的热插拔测试

基于存储测试模式功效的连接序列

除了定义热插拔连接序列之外,还需要增加存储测试(模式生成)的方法。实际上,存储测试是对存储体电力分配的动态性能测试。而且某些类型的测试模式比其他测试模式更强调功率分布。

例如,最近的一项工业BMS热插拔测试就要求以随机方式切换9个连接,连接包括VSS(pack-),VBAT(pack+)和7个单元监视器连接。因此,从存储测试模式的角度来看是有9个连接的。

其他BMS设备有多达15个或更多的连接。如果连接序列的设计使用数学中排列的方法,则需要数千到数百万次测试。需要注意的是,每次测试需要包括上次测试结束断电、执行连接定序,以及确认POR状态的时间。完成热插拔定序后,每个测试都会触发一个POR循环,随后检查数字状态寄存器,并最后记录所有相关MUX信道的模拟测量值。

为了支持存储测试的观点,需要回顾一下存储测试模式及其目标故障检测。以下是存储故障情况列表:

1. SAF卡点类故障
2. TF过渡故障
3. CF耦合故障
4. NPSF邻域模式敏感故障
5. AF地址解析故障

通过分析这些故障模型,以及从存储器电路转换到热插拔测试,会发现一些故障实际上针对的是热插拔故障机制,发现故障2、3和4与热插拔故障检测相关。当出现不同的热插拔连接模式时,转换故障、耦合故障和邻域模式敏感故障都是可能发生的,耦合和邻域故障检测特别适合检测热插拔测试的有效性。

因此,新设计的热插拔序列会对连接的内部偏置施压,这比一次一个的测试方法对设备条件施加的压力更大。组合模式(如棋盘)增加到步行1s,步行0s是在此版本热插拔测试期间使用的基本模式。如图4所示,BMS器件需要在热插拔期间控制输入开关的阻抗,以便同时控制IC的输入信号。

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图4 整体电路应力下的BMS热插拔连接

基于单个单元的一对一连接序列

这些模式具有一次一个连接模式的基本概念。例如简单的上升和下降收敛,以及一次一个的半随机模式。此处的目标是使用有效的模式选择,但限制这些序列类型的数量,这样可以确保在合理的时间内运行测试。

严格执行非重复排列计算可能会带来不合理的热插拔测试工作量。表2显示约9个连接的热插拔测试时间会超过400小时。这种方法对于设备重复测试、多设备测试或时序变化测试是不可行的。

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表2 使用计算的非重复排列的连接顺序在实际实验室环境中是不可行的

基于硬件互连设计的连接序列

最后一个需考虑的因素是连接器的机械性能。硬件互连设计解决了与每个连接器建立的连接数量,并考虑了电力分配的整体结构。可以使用单个连接器与2、3和4个单元连接,这意味着互联的电池组包含一系列的连接器。

互连设计还可以包括用主电池组和电池组+节点分开制作的单元监视器连接。其他设计可能会将电池组-和电池组+并联,会导致主要供电点物理连接到两个不同的连接点。简而言之,基于硬件互连的序列是通过原理电路图驱动的。

具有互连延迟的连接序列

连接序列设计包括可编程延迟。除了指定收敛序列之外,每个测试步骤还包括测试定义部分的变量,该变量是收敛之间的可编程延迟。因此,考虑到测试时间,在早期进行测试可以缩短延迟。之后,随着测试的进行可以增加延迟值,以模拟电池连接所需的实际时间。

最好不要仅依靠数学排列来建立序列。相反的,序列应该是三种类型的组合。第一种类型是一次选择一种模式。第二种类型是基于有效输入应力一次选择几种模式。第三种是基于连接器方案的序列组合,即每个插头组件的物理触点。

只要注重序列效力,就可重复测试运行,也可以进行多个设备的测试。序列效力可缩短测试时间,因此从安全角度来看,人员可以随时待命。最后,测试过程中的时序可以进行扩展,来模拟工厂/用户连接过程中自然发生的延迟。

结论

在设计电池管理系统时,热插拔性能是设备认证的关键。本文分析了BMS热插拔测试和序列设计的诸多方面,并列出了应遵循的理想故障范围。同时还了解到连接序列(和时序)可以解决实际热插拔测试的根本问题。工程师应将序列开发视为一个连续的过程,未来的开发将主要由BMS到电池组的互连来驱动,而测试条件则依赖于参考设计及其变化。


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关于作者

Robert Grist是瑞萨电子株式会社工业模拟与电源产品事业群的首席软件和应用工程师。

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