【導(dǎo)讀】鋰離子技術(shù)已成為電池供電設(shè)備的動力來源，與其他化學(xué)電池相比，鋰離子電池具有很多優(yōu)勢。但是，該技術(shù)也有缺點，那就是必須進行妥善管理，以確保它們安全地充電和放電。本博客文章將探索鋰離子技術(shù)的發(fā)展歷史與挑戰(zhàn)，并介紹用于控制運行時間、靈活性和安全性的智能電池系統(tǒng)管理解決方案。
鋰離子技術(shù)已成為電池供電設(shè)備的動力來源，與其他化學(xué)電池相比，鋰離子電池具有很多優(yōu)勢。但是，該技術(shù)也有缺點，那就是必須進行妥善管理，以確保它們安全地充電和放電。本博客文章將探索鋰離子技術(shù)的發(fā)展歷史與挑戰(zhàn)，并介紹用于控制運行時間、靈活性和安全性的智能電池系統(tǒng)管理解決方案。
在各種可充電工具、手持設(shè)備和電動交通工具中，鋰離子電池十分常見。在這些及許多其他應(yīng)用中，鋰離子電池與其他化學(xué)電池相比，存在很多優(yōu)勢。但請注意，要想鋰離子電池安全可靠且壽命長，必須避開充放電模式方面的一些陷阱。本博客文章將探討相關(guān)挑戰(zhàn)并確定理想的解決方案。我們還將介紹一種新的集成式智能電池管理單芯片解決方案，該解決方案提供獨特功能和先進的控制能夠，能夠更大限度地提高運行時間、靈活性和安全性。
電池技術(shù)已有 200 多年發(fā)展歷史，并會繼續(xù)發(fā)展下去
電池早在 1800 年左右就已出現(xiàn)，當(dāng)時意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏特通過用浸泡了鹽水的紙板分隔銅片和鋅片，發(fā)明了 “伏打電堆”。但是，這種 “原電池” 性能下降迅速，而且無法充電。又過了 59 年，采用鉛酸結(jié)構(gòu)的可充電電池（也稱為 “蓄電池”）問世。從那時開始，電池技術(shù)開始不斷發(fā)展，現(xiàn)如今帶來了能夠長時間通話的手機、強大的無繩手持工具和電動汽車 (EV)。從電動自行車到電動跑車，它們都具有相當(dāng)不錯的續(xù)航里程。 立法也是一個驅(qū)動因素。例如，最早到 2024 年，加利福尼亞州可能會禁止銷售以天然氣為燃料的園林機械，無繩電動版本是唯一合理的替代方案。
鋰離子電池是現(xiàn)代設(shè)備的首選化學(xué)電池
在可充電移動應(yīng)用中，為了獲得出色的整體性能，鋰離子電池現(xiàn)在是最受歡迎的電池類型。為什么？因為鋰離子電池使用壽命長、儲能重量比高，而且要比鉛酸電池更加經(jīng)濟高效。鋰離子電池還具備其他有用的特性，比如沒有 “記憶” 效應(yīng)、自放電小，并且單個 3.8 V 的電池就能夠為許多設(shè)計供電。
不過，該技術(shù)也有缺點。鋰離子電池必須受到妥善保護，防止發(fā)生電壓過高、充放電電流過大、深度放電，以及電池溫度過高。如果不能滿足這些標準，可能會發(fā)生爆炸或火災(zāi)。下方圖 1 顯示了安培小時 (Ah) 級電池的理想安全充電模式。
如圖所示，鋰離子電池的典型充電過程包含多個階段：
1. 采用 “1C” 大小的恒定電流，將電池電量充至大約 70%。
2. 電池電壓達到 4.2 V，充電器切換至恒壓模式。
3. 然后，隨著電池達到飽和，電流不斷減小。
4. 對于傳統(tǒng)含鈷鋰電池，當(dāng)電流降至電池 Ah 額定值的 3%-5% 時，便表示鋰離子電池已充滿電。達到該閾值后，充電過程會終止，以避免電池發(fā)生性能退化。
圖 1. 鋰離子電池充電模式
如果因為自放電而導(dǎo)致電壓降至另一個閾值電壓以下，電池可能會進入 “循環(huán)充電” 階段來重新開始充電，并會對電池溫度進行持續(xù)監(jiān)測，以檢測任何熱應(yīng)力。
安全性至關(guān)重要，但了解容量和健康狀況也同樣重要
管理電池充放電時，安全性是首要考慮因素。由于鋰離子電池通常用于高度不受控的環(huán)境，比如花園和家庭工作間，因此保護方法必須穩(wěn)定可靠。此外，工具或機器應(yīng)能在寒冷冬季閑置時，盡可能地保留電量，并在用戶需要再次使用時，能夠隨時準備好以最大功率安全地投入使用。
對于騎乘式割草機等需要更高功率的應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計人員提高了電池電壓，以擴展電池容量和運行時間，同時保持電流可控?，F(xiàn)在，串聯(lián)多達 20 個電池來產(chǎn)生 90 V 或更高電壓的情況十分常見。一旦出現(xiàn)故障，這增加了電擊、電壓擊穿和高能釋放的相關(guān)風(fēng)險。此外，串聯(lián)意味著，整個電池組的運行時間和壽命取決于最弱的電池。針對這一情況，任何充電系統(tǒng)都應(yīng)該確保充電模式能夠平衡每個電池上的應(yīng)力，即通過某種方式強制實現(xiàn)各個電池電量相等。
另一個重要關(guān)注點是精確了解電池的剩余電量 (SOC) 或 “電量”。當(dāng)無繩電鉆仍顯示有電，卻意外停止工作時，這只會給使用者帶來一點小麻煩。但是，如果是電動高爾夫球車或騎乘式割草機在球道中間意外停止，問題就會比較嚴重。SOC 指示頗具挑戰(zhàn)性，因為電池電壓并不是一個很好的衡量指標，它取決于溫度和剩余電量。
鋰離子電池的其中一個出色特性是，放電電壓會一直保持相對平穩(wěn)，直到電量耗盡，但這對于作為指示并沒有幫助。解決方案是測量實際充入和消耗的電量，也就是所謂的 “庫侖計量”。但是，正如手機用戶所熟悉的，該技術(shù)可能會失去校準，因此建議偶爾對電池進行完全放電，以 “重置” 計算。
健康狀況 (SOH) 也是一個有用的衡量指標。隨著時間推移，以及充電/放電循環(huán)次數(shù)增加，鋰離子電池的容量會減少。這就意味著，100% 電量指示所代表的容量和運行時間會逐漸減少。同樣，電池電壓也不是 SOH 的一個很好的衡量指標，但內(nèi)阻可作為一個指標，它根據(jù)電壓隨負載階躍的變化推斷而來。
通過集成電池管理，增加功能并提升價值
考慮到鋰離子電池充電控制和監(jiān)測要求的復(fù)雜性，集成式智能電池管理系統(tǒng) (BMS) 是一個頗具吸引力的解決方案。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)為經(jīng)濟高效的緊湊型 IC，其中混合采用模擬與數(shù)字技術(shù)，并包括處理器、內(nèi)存和接口。憑借這種計算能力，該 IC 能夠添加先進的功能和特性。這類先進功能示例包括電池健康狀況測定、電池平衡控制、精確庫侖計量、歷史數(shù)據(jù)記錄等。另外，該 IC 還可以整合有線與無線通信功能。在互聯(lián)的世界里，人們對通信功能的需求會不斷增長。
集成式 BMS 可以包含多個處理器內(nèi)核，以處理各種不同的應(yīng)用，其中熱門選擇是時鐘頻率為 50 MHz 的 Arm Cortex M0 或速度更快的 150 MHz M4F。M4F 搭載 128 kB 閃存和 32 kB SRAM，是 M0 的四倍，并配備更多通用 I/O 引腳，同時其浮點處理技術(shù)有助于執(zhí)行高級算法。這兩種內(nèi)核都提供 UART（通用異步接收器/發(fā)射器）、SPI（串行外設(shè)接口）和 I2C/SMBus 接口，M4F 還具備 CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）。
設(shè)計人員可能對 ARM? 器件及其編程工具比較熟悉，除了用于通用功能的任何已有嵌入式固件，這些器件還支持進行定制。例如，可在 SRAM 中記錄故障事件以進行診斷，或者可生成數(shù)據(jù)表以分析充電/放電性能，并實現(xiàn) SOH 預(yù)測性維護。
集成式 BMS 需要模擬接口，其中包括以適當(dāng) ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）分辨率和精度進行電池電流、溫度與單個電池電壓監(jiān)測，并且能夠監(jiān)測多達 20 個電池，以實現(xiàn)廣泛的適用性。為了確保安全性和效率，該器件應(yīng)具備電流和故障檢測功能，以便觸發(fā)快速硬件關(guān)斷，從而防止電池或 BMS 出現(xiàn)延遲和產(chǎn)生應(yīng)力。電流檢測接口可以具備可編程增益，以便準確地測量較寬范圍的電池電流，并使用毫歐級低值檢測電阻，以盡可能地減少損耗并縮小尺寸。
BMS 通常使用外部背對背功率 MOSFET 來控制充電電流，并在發(fā)生過載或短路的必要情況下中斷放電電流。出于系統(tǒng)通信和其他系統(tǒng)考量，最好將 MOSFET 置于正電壓軌或 “高側(cè)” 上。這意味著，如果使用常見的 N 溝道 MOSFET，柵極驅(qū)動器電壓必須高于充電器或電池的電源電壓。不過，帶有電荷泵電路的集成式 BMS 中可以滿足該要求。同樣，BMS IC 可以包含降壓和線性穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生內(nèi)部和外部輔助電源軌。
例如，適用于低功耗藍牙模塊的 3.3 V 應(yīng)用，在該應(yīng)用中，管理系統(tǒng)必須包含所有這些功能，但仍具有低功耗。即使在終端設(shè)備關(guān)閉后存放時，BMS 也需要處于休眠模式，并提供基本的電池電壓監(jiān)測。在該狀態(tài)下，電流消耗應(yīng)該不超過幾微安，以避免電池過度放電。
實施 BMS 解決方案的簡單方法
Qorvo 電源應(yīng)用控制器系列中的單芯片集成式解決方案提供鋰離子電池管理系統(tǒng)需要具備的上述所有功能。首先上市的是 PAC22140 和 PAC25140 兩款器件，它們分別采用 Arm M0 和 M4F 內(nèi)核。這些器件支持多達 20 個具有相關(guān)高壓驅(qū)動和監(jiān)測額定值的電池。隨附固件可以實現(xiàn)全面的充放電控制和監(jiān)測，另外還借助算法實現(xiàn)了庫侖計量和 50 mA 電池平衡功能。Qorvo 為這些器件提供全方位的支持，其中包括軟硬件開發(fā)套件、用于配置和監(jiān)測的 Windows GUI 以及完整文檔。
(來源：Qorvo半導(dǎo)體)
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