雙電層電容器（EDLC）用電池平衡IC

近年來，以車載領(lǐng)域、工業(yè)設(shè)備和可再生能源領(lǐng)域?yàn)橹行?，?duì)電力電子技術(shù)的關(guān)注度越來越高。尤其在車載領(lǐng)域，受汽車尾氣排放法規(guī)的限制，“提升油耗性能”已被定位為重要的課題，各汽車廠家均大力開展對(duì)相關(guān)新技術(shù)的研究。為了開發(fā)出油耗更低的汽車，不僅僅嘗試引進(jìn)新一代功率元器件來提高功率轉(zhuǎn)換效率，還通過與蓄電裝置相結(jié)合的深入研究，力爭實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的低功耗與高效能。

另外，以日本市場為首，對(duì)汽車的低油耗要求非?？量蹋龠M(jìn)了更加環(huán)保的汽車的開發(fā)進(jìn)程。(圖1)

(圖1)各國的油耗規(guī)格變化

※來源：本公司根據(jù)富士奇美拉總研《2013車載電子元器件&組件總調(diào)查》(2012年12月4日發(fā)行)作成

2. 蓄電裝置的新應(yīng)用技術(shù)

以電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車為代表，在車載領(lǐng)域采用大容量蓄電裝置已經(jīng)越來越普及。不僅是以往的鉛電池，鋰離子電池和大容量電容器也在朝電子化方向發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究也越來越活躍。

蓄電裝置根據(jù)其種類，在性質(zhì)上各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，一般區(qū)別使用于能夠發(fā)揮其各自特點(diǎn)的用途中。例如，提到蓄電裝置，首先想到的應(yīng)該是鋰離子電池。鋰離子電池在智能手機(jī)、平板電腦及筆記本電腦相關(guān)的產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。因其能量密度(單位面積的蓄電量)性能優(yōu)異，在混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車中也被作為主電池廣泛應(yīng)用。(圖2)

(圖2)蓄電裝置的分類

然后是近年來在應(yīng)用中備受矚目的雙電層電容器(以下稱EDLC：Electric Double Layer Capacitor)。EDLC在能量密度方面的性能不如鋰離子電池，但在功率密度(單位時(shí)間內(nèi)能處理的電量)方面卻具有非常優(yōu)異的特性。EDLC充放電效率高，可瞬間提供大容量電力。以往，主要安裝于移動(dòng)設(shè)備和小型電子設(shè)備中，作為在電源電量下降時(shí)為CPU供電的備用電源使用。一直以來，幾F左右的EDLC產(chǎn)品占據(jù)主流市場，但最近大容量化趨勢顯著，幾百F甚至幾千F產(chǎn)品類型的市場占有率已逐步提升。(圖3、4)

(圖3)大容量電容器市場規(guī)模推移和預(yù)測

※來源：(株)矢野經(jīng)濟(jì)研究所《關(guān)于2013年大容量電容器市場的調(diào)查結(jié)果》(2013年7月3日發(fā)行)

(圖4)雙電層電容器(EDLC)單元

來源：日本貴彌功株式會(huì)社

大容量電容器主要作為瞬低時(shí)的備用電源、再生能源相關(guān)裝置的電源不穩(wěn)定時(shí)的備用電源、以及起重機(jī)等工業(yè)用設(shè)備和工程機(jī)械中的能源再生裝置等使用。其用途可能并不是身邊常見的領(lǐng)域，但近年來，著眼于其功率密度和充放電特性優(yōu)于其他蓄電裝置的優(yōu)勢，已開始在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)機(jī)理是，在再生制動(dòng)系統(tǒng)部分，通過將制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量在短時(shí)間內(nèi)充入到充電效率良好的EDLC中，并給車內(nèi)的電子系統(tǒng)供電，來輔助以往由引擎發(fā)電和鉛電池承擔(dān)的電力。

此外，EDLC還具有反復(fù)充放電導(dǎo)致的性能劣化少，低煙難燃、組成材料不含重金屬的特點(diǎn)，比起其他蓄電裝置具備壽命長、安全、環(huán)保等優(yōu)勢。

現(xiàn)在也已經(jīng)開始利用這些特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步將其與鋰離子電池之類的二次電池?fù)碛械膬?yōu)勢相結(jié)合的新應(yīng)用和可能性展開研究。

3. EDLC所需的電池平衡電路

EDLC每節(jié)電池的電壓一般約為2.5V。例如，作為12V電源線的備用電源使用時(shí)，將5節(jié)或6節(jié)電池串聯(lián)連接即可組成約12V的電源。此時(shí)，需要使各節(jié)電池的電壓均衡，因此需要控制電池平衡的電路。因?yàn)槿绻鞴?jié)電池的電壓不均衡，則施加于某一節(jié)電池的電壓就會(huì)偏高，從而導(dǎo)致電池劣化。由于EDLC本身具有壽命長的特點(diǎn)，因此，使電池電壓平衡是使其充分發(fā)揮其性能特點(diǎn)的有效方法。

4. EDLC用電池平衡IC “BD14000EFV-C”

ROHM此次開發(fā)出專用于EDLC的電池平衡IC“BD14000EFV-C”。該產(chǎn)品不僅具有EDLC的電池平衡功能，還具備各種監(jiān)測功能。使用該產(chǎn)品，可構(gòu)筑安全且具有卓越可靠性的EDLC系統(tǒng)。下面詳細(xì)介紹產(chǎn)品的主要特點(diǎn)。

①將電池平衡功能集成于1枚芯片，確保高可靠性并大大減少元器件數(shù)量

此次開發(fā)的BD14000EFV-C，僅1枚IC即可控制4～6節(jié)電池的EDLC。產(chǎn)品采用簡單的分流方式，可通過外置電阻設(shè)定分流電流值。通過該IC本身的ON/OFF來控制內(nèi)置的MOS開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)各節(jié)電池的電壓均衡。也就是說，僅僅通過該IC即可用非常簡單的結(jié)構(gòu)輕松實(shí)現(xiàn)電池平衡功能。(圖5)

(圖5)BD14000EFV-C的框圖

例如，用分立元器件組成這樣的電池平衡電路時(shí)，每節(jié)電池都需要復(fù)雜的平衡電路，以致需要龐大的元器件數(shù)量。為提高安全性而設(shè)置過電壓檢測電路時(shí)，也需要相應(yīng)的元器件，帶來安裝面積增加、管理的元器件項(xiàng)目増加、成本增加等負(fù)擔(dān)。另外，由于使用的元器件數(shù)量過多，每個(gè)產(chǎn)品的差異使確?？煽啃砸渤蔀楹芷D難的課題。

本產(chǎn)品不僅將所搭載元器件集于一體，而且設(shè)計(jì)為IC產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)更高性能，還可使電池電壓規(guī)格不同的產(chǎn)品的眾多電池平衡電路實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而非常有助于減少管理元器件的數(shù)量。(圖6)

(圖6)單芯片集成，使設(shè)計(jì)更簡單

②便捷的擴(kuò)展性

可根據(jù)不同的EDLC元件耐壓、用途、充放電頻率及溫度環(huán)境等，將電池平衡電壓設(shè)定到最佳值。BD14000EFV-C通過將VSET0~2的3個(gè)端子分別設(shè)定為High或Low，可在2.4V～3.1V之間設(shè)定電池平衡電壓，因而可支持各種EDLC應(yīng)用。

檢測電壓精度在常溫(Ta=25℃)下確保±1.0%(MAX)，在-40～105℃的工作溫度范圍下，確保±2.0%(MAX)。

不僅如此，還可將多個(gè)BD14000EFV-C串聯(lián)連接，來支持高電壓應(yīng)用(備用電源、工程機(jī)械等)。(圖7)

(圖7)支持各種EDLC

③可分兩檔監(jiān)測過電壓的安全設(shè)計(jì)

可分兩檔雙重監(jiān)測EDLC電池電壓的過電壓情況。

VO_OVLO1端子檢測第1檔的過電壓值，并FLAG輸出到微控制器。當(dāng)檢測到第2檔的過電壓值時(shí)，則VO_OVLO2端子FLAG輸出。因此，無論哪節(jié)電池產(chǎn)生劣化跡象，系統(tǒng)均可識(shí)別，并顯示電池的更換時(shí)間提示。

關(guān)于過電壓值，第1檔電池平衡電壓可從+0.15V或+0.25V兩種模式中選擇，第2檔電池平衡電壓可從+0.3V或+0.5V兩種模式中選擇?？蓪VLOSEL端子切換為High或Low進(jìn)行設(shè)定。

④內(nèi)置電池檢測功能，監(jiān)測電池平衡

BD14000EFV-C內(nèi)置有稱為“電池檢測功能”的監(jiān)測功能。所有通道的內(nèi)置分流開關(guān)均正常工作，F(xiàn)LAG輸出到VO_OK端子。由此，可確認(rèn)EDLC模塊的狀態(tài)是否完全實(shí)現(xiàn)電池平衡。

沒有這種功能的電池平衡電路，需要在檢查工序中逐節(jié)確認(rèn)所有通道的電池平衡功能是否正常運(yùn)行。而使用該功能，可通過識(shí)別VO_OK端子的輸出，確認(rèn)電池平衡功能是否正常運(yùn)行，具有縮減檢查時(shí)間和成本的優(yōu)勢。ROHM現(xiàn)正在申請專利。

⑤無遲滯，可減少不必要的電流消耗

在電池平衡用的檢測電路中，采用無遲滯式比較器。(圖8)

(圖8)有無遲滯功能的電流消耗比較

采用有遲滯的比較器時(shí)，解除電壓低于檢測電壓，當(dāng)檢測解除時(shí)，即使電池電壓比檢測電壓低，由于電池平衡開關(guān)處于ON的狀態(tài)，因此會(huì)產(chǎn)生不必要的分流電流消耗。而采用無遲滯式比較器時(shí)，檢測電壓和解除電壓相同，當(dāng)檢測解除時(shí)，電池電壓一旦低于檢測電壓，電池平衡開關(guān)就會(huì)OFF，不會(huì)產(chǎn)生不必要的分流電流消耗?？梢?，通過使用無遲滯式比較器，實(shí)現(xiàn)了高效率的電池平衡。

⑥車載級(jí)品質(zhì)

BD14000EFV-C的規(guī)格滿足國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100。在車載相關(guān)的應(yīng)用中也可放心使用。

5.總結(jié)

綜上所述，BD14000EFV-C將對(duì)EDLC電池平衡電路的要求集成于1枚芯片，實(shí)現(xiàn)了安心且可靠性優(yōu)異的EDLC系統(tǒng)。不僅如此，還非常有助于減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，縮短開發(fā)周期。ROHM將會(huì)利用多年來積累的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)，不斷促進(jìn)更加環(huán)保的蓄電裝置的應(yīng)用普及。