電池監(jiān)控器對(duì)多節(jié)電池的管理解析

工業(yè)類電池管理增長(zhǎng)迅速，許多應(yīng)用都會(huì)用到多節(jié)電池，為了對(duì)電池性能進(jìn)行監(jiān)控，就需要用到智能電池解決方案。日前，德州儀器(TI)針對(duì)這一應(yīng)用市場(chǎng)推出了首批可擴(kuò)展多節(jié)電池監(jiān)控器bq76920、bq76930和bq76940，其不僅可大幅提升電池組的安全性，而且還可縮短12V~48V鋰離子電池及LiFePO4電池的設(shè)計(jì)時(shí)間，并能滿足電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具、醫(yī)療設(shè)備以及能源存儲(chǔ)系統(tǒng)等應(yīng)用的需求。

德州儀器高性能模擬半導(dǎo)體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場(chǎng)及應(yīng)用經(jīng)理文司華博士介紹說(shuō)，該系列產(chǎn)品是TI首批可擴(kuò)展電池監(jiān)控器，面向的是多節(jié)電池組的應(yīng)用。bq76920、bq76930和bq76940分別針對(duì)3~5節(jié)、6~10節(jié)、9~15節(jié)串聯(lián)電池應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以在惡劣的充電條件和工作條件下最大限度地保證電池組的安全運(yùn)行。

在應(yīng)用案例方面，文司華指出，助踩式電動(dòng)車(pedelec)在歐洲一些地方并不劃歸到電動(dòng)車行列，而是劃歸到人力車當(dāng)中。只要pedelec速度達(dá)到25km/h，其電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止。在爬坡和頂風(fēng)騎車時(shí)車主可能會(huì)感覺(jué)吃力，這時(shí)它就能起到助力的效果。這類產(chǎn)品就廣泛應(yīng)用了電池管理技術(shù)。

在電力系統(tǒng)的發(fā)輸變配各個(gè)環(huán)節(jié)，都可以有不同級(jí)別的儲(chǔ)能電站(ESS)系統(tǒng)(將風(fēng)能、太陽(yáng)能等輔助能源存儲(chǔ)在電池組里)并網(wǎng)至電網(wǎng)。ESS很多情況下都是集裝箱的形式，內(nèi)部包含電池、電池控制、熱管理等。同時(shí)，它可以方便地移動(dòng)至其他地區(qū)。

另外，電動(dòng)叉車是由電池供電，其在起重、載重時(shí)要求放電速率要很大。電動(dòng)工具的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越大，產(chǎn)品形態(tài)也越來(lái)越多。

工業(yè)應(yīng)用需要多種類型的電池，從應(yīng)用上分，涵蓋了LEV(助踩式)、UPS和ESS、電動(dòng)工具、設(shè)備(叉車)以及醫(yī)療設(shè)備。在電池組尺寸上，電池有單節(jié)、2至4節(jié)、5至16節(jié)以及大于16節(jié)之分。有的電池會(huì)更側(cè)重在寬泛的溫度范圍(-40℃~125℃)內(nèi)安全工作，有的電池則會(huì)側(cè)重在更長(zhǎng)的使用壽命、快速放電、低頻次放電或超過(guò)100V的工作電壓等場(chǎng)景。從化學(xué)成分上分，又包括鋰離子、LiFePO4、PbA鉛酸、NiMH和NiCd、超級(jí)電容等。

典型的智能電池架構(gòu)如圖1所示，該電池包可以進(jìn)行供電以及通信。BMS(電池管理系統(tǒng))MCU可以寫入算法，提供智能化操作。從板級(jí)面積、成本控制以及一致性等考慮，電壓測(cè)量(電量均衡)、溫度測(cè)量、電流測(cè)量以及充電開(kāi)關(guān)和放電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)都需要進(jìn)行集成，即多節(jié)電池組的模擬前端(AFE)，而bq76920、bq76930和bq76940正是這樣的產(chǎn)品。

圖1：典型的智能電池架構(gòu)。

圖1：典型的智能電池架構(gòu)。

智能電池需要做到安全、測(cè)量(精確、全面測(cè)量電池狀況)、容量指示、健康指示(除電壓、電流外，還需要知道電池的使用壽命有多久)、電量均衡(多節(jié)電池串聯(lián)長(zhǎng)期使用未做監(jiān)控可能出現(xiàn)單節(jié)電池極性反轉(zhuǎn)，鋰電池不允許出現(xiàn)此類情況)、黑盒取證(電池失效返修提供最后十次所出現(xiàn)問(wèn)題的保修證據(jù))、選擇性連接/斷開(kāi)(極度的工作條件下通過(guò)算法斷開(kāi)與外部的連接)以及自適應(yīng)性(根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景做算法優(yōu)化)。

該系列產(chǎn)品內(nèi)置ADC(14位ADC可測(cè)量電壓和溫度，16位“庫(kù)侖計(jì)數(shù)器”ADC可追蹤流過(guò)的電荷)與硬件保護(hù)功能。LDO(2.5V/3.3V可選)、電池均衡、MOSFET驅(qū)動(dòng)等特性的集成能夠使板級(jí)空間銳減30%。一體化通用數(shù)字接口I2C能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

此外，該系列可以和電量計(jì)/微控制器bq78xxx(還未量產(chǎn)，2014年下半年上市)搭配使用(圖2)。作為AFE產(chǎn)品，鋰離子監(jiān)控器集成了所有參量的測(cè)量部分，再加上與TI標(biāo)配的bq78xxx預(yù)編程配套微控制器結(jié)合使用，便形成了完整的turnkey解決方案。同時(shí)，bq78xxx提供了高靈活性、基于閃存的CEDV測(cè)量技術(shù)，幾乎可以替換任何微控制器。以往，單節(jié)電量計(jì)只能監(jiān)控一節(jié)電池，并且需要復(fù)雜的運(yùn)放前端將電池電壓降下來(lái)，而bq78xxx則可以通過(guò)bq769xx去監(jiān)控每一節(jié)電池。

圖2：電池監(jiān)控器bq76940與電量計(jì)/微控制器bq78xxx搭配使用。

圖2：電池監(jiān)控器bq76940與電量計(jì)/微控制器bq78xxx搭配使用。