电池采样芯片为何要检测采样线断线

2020-03-26      2991 次浏览

电池采样芯片(AFE)里面有一个重要功能:断线检测。


它包括检测电芯电压采样线断线、温度采样线断线,有的还覆盖均衡回路断线,我们重要接触的是电压采样线断线的场景。


那为何要检测采样线断线呢?在下图中,某条采样线处于断开状态,此时这条采样线的上下两个电芯会被内阻Ri进行分压,也会采集到一个“假的”电压值,但实际这个电压值不能代表电芯的真实电压,假如它被当做真实电压使用,会造成过充或者过放电。


所以在AFE中都集成了断线检测功能,也成为了在功能安全中必不可少的安全机制,功能确实很有用。在目前接触到的几个厂家中,断线检测方法大概可以分为两种:电流源法和电阻分压法。


厂家:


ADI


NXp


美信


松下


TI


检测方法:


电流源


电阻分压


电阻分压


电流源


电阻分压


下面介绍一下电流源检测方法原理,下图为ADI的LTC6804内部框图,它画出了断线检测内部电路:在选通器的输出端(ADC输入端),内置了上拉与下拉的电流源,可以等效看做是上拉电阻和下拉电阻。


它的原理是,首先接通上拉电流源,断开下拉电流源,然后进行电压采集,得到12串电芯电压采样结果;然后接通下拉电流源,断开上拉电流源,再得到12串电压采样结果;接下来对两次得到的结果进行相减,假如第(n+1)节电芯差值小于-400mV,则判定为Cn断线。


举个例子,假设所有电芯电压为4V,当C2断线时,那么CELLΔ(2+1)=CELL3(上拉)-CELL3(下拉)=(12-V+)-(12-V-)=(V-)-(V+)<-400mV,即可判断出断线故障;


松下的芯片内部也是在类似的位置加上下拉电流源,不过它加的数量和排布略有不同,判定方法也略有不同。


再来看一下NXp的方案,它是用电阻分压的方式来识别故障,如下图所示。


在其内部采样通道上,集成了一个开关和电阻Rpd,开关S分为奇数组和偶数组,同时只能闭合一组,即S2闭合时,S1与S3是断开的,反之亦然;AFE去操作两组开关,去得到两组采样值,假如当其闭合时,采到的结果小于门限电压(例如150mV),测判定为断线。


举个例子,假设电芯电压为4V,Rm=5K,Rpd=2K,那么图中红色圆圈处断线,根据电阻分压,当S2闭合、S1S3断开时,CELL1=4V,CELL2=0V,CELL3>5V;当S2断开、S1S3闭合时,CELL1=0.7V,CELL2>5V,CELL3=0V;因为CELL1和CELL2都出现0V(小于150mV)的值,小于门限值,故判定为两个电芯中间处断线。


美信是利用内部均衡MOS管来检测采样线断线,如下图所示:Rb是均衡电阻,S是内部的均衡MOS开关。


它的检测方案利用内部的均衡电路来检测,也是分为奇数、偶数开关两组,分别采集MOS两端电压,采样后做比较,大同小异。


前面介绍了基本的断线检测原理,其实这里面还是有一些注意事项的,都要工程师仔细考虑。


1、电芯采样线最两边的那两条(第一节负、最后一节正)的检测方法有些差别;


2、假如AFE采用专门的两条供电线,它们是否可以识别出断线?是否影响其他断线检测;


3、考虑两条线或更多条线同时断线,检测电路又变成了什么样子?是否可以识别出来?


4、AFE最低几节采样线同时断线,是否会影响AFE正常工作?


5、断线检测的执行周期怎么安排?触发条件是什么?


总结:


断线检测是AFE的一个重要功能,关于我们来讲,一定要吃透其检测原理,再去进行调试,原理其实很简单,但里面比较啰嗦。也有用分立元件去搭检测电路的,原理差不多,比较麻烦。


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