多單元電池難管理？試試這幾個(gè)器件！

充電電池正越來(lái)越多地用于更高的電壓和更大的功率，其應(yīng)用包括電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV)、電動(dòng)工具、草坪清理設(shè)備和不間斷電源。眾所周知，雖然任何一種化學(xué)制品都需要仔細(xì)監(jiān)測(cè)和管理，以確保有效、可靠和安全的操作，但為了滿足這些車輛或設(shè)備的功率需求而需要串聯(lián)層疊幾十個(gè)電池單元，就需要設(shè)計(jì)人員給予更多的關(guān)注，特別是每塊電池的電池單元數(shù)量增加的情況下。

監(jiān)測(cè)和測(cè)量單個(gè)電池單元或只包含幾個(gè)電池單元的小型電池組只是一種適度的挑戰(zhàn)，相比由多個(gè)電池單元串聯(lián)而成的電池串來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單得多。疊接多電池單元的設(shè)計(jì)者需要考慮諸多問(wèn)題，如在高共模電壓下進(jìn)行測(cè)量、是否存在危險(xiǎn)電壓、單個(gè)電池單元故障的影響、大量電池單元的的復(fù)用、電池單元不匹配和平衡，以及疊接電池的溫差等，不勝枚舉。這些電池既需要先進(jìn)的電池管理集成電路 (BMIC) 和電池管理系統(tǒng) (BMS) 來(lái)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量和控制，也需要設(shè)計(jì)人員掌握一些工程知識(shí)，以便正確使用它們。

本文將討論常見(jiàn)的、特別是多單元電池的管理基礎(chǔ)知識(shí)及各種挑戰(zhàn)。然后介紹并說(shuō)明如何使用 Analog Devices、Renesas Electronics Corp. 和 Texas Instruments 提供的 BMIC。這些器件專門用來(lái)解決由多個(gè)電池單元串聯(lián)而成的電池串的獨(dú)特管理問(wèn)題。

串聯(lián)電池串帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)

常見(jiàn)的電池監(jiān)測(cè)包括流入和流出電池的電流（電量）測(cè)量、端子電壓監(jiān)測(cè)、電池容量評(píng)估、電池溫度監(jiān)測(cè)以及充電/放電周期管理，從而優(yōu)化能量?jī)?chǔ)存性能并在電池的使用壽命內(nèi)最大限度地增加充放電次數(shù)。使用廣泛的 BMIC 或 BMS 可為僅由一個(gè)或兩個(gè)電池單元構(gòu)成的、電壓為個(gè)位數(shù)的小型電池組提供這些功能。BMIC 或 BMS 作為數(shù)據(jù)采集前端，其數(shù)據(jù)報(bào)告給電池管理控制器 (CMC)；在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，CMC 與被稱作電池管理控制器 (BMC) 的高級(jí)功能器件連接。

在本文中，“電池單元”是一個(gè)單獨(dú)的儲(chǔ)能單元，而“電池”是指由多個(gè)電池單元串聯(lián)和/或并聯(lián)組成的整個(gè)電源組。雖然一個(gè)電池單元只產(chǎn)生幾伏電壓，但一個(gè)電池組可以由幾十個(gè)或更多的電池單元組成，以提供高達(dá)幾十伏的電壓，而多個(gè)電池組組合后可提供甚至更高的電壓。

為了有效管理，需要測(cè)量的關(guān)鍵電池參數(shù)是端子電壓、充電/放電電流和溫度?，F(xiàn)代電池組對(duì)所需的測(cè)量性能相當(dāng)嚴(yán)苛：每個(gè)電池單元必須能夠在幾毫伏(mV) 和幾毫安 (mA) 之內(nèi)以及大約 1 攝氏度 (℃) 條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。對(duì)電池單元進(jìn)行如此嚴(yán)苛監(jiān)測(cè)的原因包括：

• 確定電池組的充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)，從而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池組的剩余容量（運(yùn)行時(shí)間）和總預(yù)期壽命。

• 提供實(shí)現(xiàn)電池平衡所需的數(shù)據(jù)，盡管電池的內(nèi)部存在差異以及不同的位置、溫度和老化情況，但可以平衡已充電電池單元之間的電壓。如果不進(jìn)行電池平衡，將導(dǎo)致電池組性能降低，甚至損壞電池單元。平衡過(guò)程可通過(guò)無(wú)源或有源技術(shù)來(lái)完成；后者效果更佳，但成本更高，也更復(fù)雜。

• 要防止許多可能損壞電池并造成諸如車輛及其乘員等用戶安全問(wèn)題的情況。這些包括了多種不利情況，如：

• 過(guò)壓或以過(guò)大的電流充電，可能導(dǎo)致熱擊穿。

• 欠電壓：?jiǎn)未芜^(guò)放電不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障，但可能開始溶解陽(yáng)極導(dǎo)體。隨后重復(fù)的過(guò)度放電周期會(huì)導(dǎo)致充電電池單元中出現(xiàn)鋰電鍍情況，并再次出現(xiàn)潛在的熱擊穿。

• 溫度過(guò)高會(huì)影響電池電解質(zhì)材料的性能，導(dǎo)致 SOC 降低；這也會(huì)增加固體電解質(zhì)中間相 (SEI) 的形成，從而導(dǎo)致電阻率增加且不均勻，造成功率損失。

• 溫度過(guò)低也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)闇囟冗^(guò)低可能造成鋰沉積，進(jìn)而導(dǎo)致容量損失。

• 過(guò)電流以及由于內(nèi)部阻抗不均勻和最終的熱失控而導(dǎo)致的內(nèi)部發(fā)熱；這會(huì)增加電池中的 SEI 層，增大電阻率。

例如，在測(cè)試臺(tái)或其他良性環(huán)境下，準(zhǔn)確測(cè)量某個(gè)電池單元的電壓是相當(dāng)直接地做法，這是一個(gè)難題。設(shè)計(jì)人員只需在想要測(cè)量的電池單元上連接一個(gè)浮動(dòng)（非接地）或電池供電型數(shù)字電壓表 (DVM)（圖 1）。

圖 1：測(cè)量串聯(lián)電池的任何單個(gè)電池單元的電壓從概念上來(lái)講非常簡(jiǎn)單，只需要一塊浮動(dòng)數(shù)字電壓表即可。（圖片來(lái)源：Bill Schweber）

然而，由于許多原因，在電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車等的電氣條件和惡劣環(huán)境下，要想自信且安全地進(jìn)行測(cè)量是相當(dāng)困難的。這點(diǎn)在具有代表性的電動(dòng)車電源組例子中表現(xiàn)的很清楚。這種電源組包括 6720 個(gè)鋰離子電池單元，由八個(gè)控制模塊管理（圖 2）。

圖 2：實(shí)際電池組是指以模塊形式呈現(xiàn)的、以串聯(lián)和并聯(lián)方式連接的電池單元陣列，這種陣列中儲(chǔ)存了大量的能量；這些就是使得電池電壓測(cè)量變得非常復(fù)雜的因素。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

每個(gè)電池單元的容量為 3.54 安培小時(shí) (Ah)，因此總標(biāo)稱儲(chǔ)能為 100 千瓦小時(shí)（3.54 Ah x 4.2 V x 6720 個(gè)電池單元）。在 96 個(gè)以串聯(lián)形式連接的電池單元組中，每組包括 70 個(gè)以并聯(lián)方式連接的電池單元，電池電壓為 403.2 V（96 × 4.2 V），容量為 248 Ah（100 kWh/403.2 V 或 3.54 A × 70）。

• 由于存在高共模電壓 (CMV)，在測(cè)量只有個(gè)位數(shù)的低電壓時(shí)，必須滿足分辨率和準(zhǔn)確度要求，以獲得有意義的毫伏級(jí)精確度。這就是一種挑戰(zhàn)，它可能使測(cè)量系統(tǒng)過(guò)載或影響讀數(shù)的有效性。這里的 CMV 是指相對(duì)系統(tǒng)公共點(diǎn)（也被稱為“地”，盡管這種說(shuō)法有誤），直至被測(cè)電池單元的所有串聯(lián)電池的電壓之和。請(qǐng)注意，在電動(dòng)車中，可以串聯(lián)多達(dá) 96 個(gè)甚至 128 個(gè)電池單元串聯(lián)，以達(dá)到數(shù)百伏的 CMV。
• 由于高 CMV，為了電氣完整性和用戶/系統(tǒng)安全，必須將電池與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行電隔離，因?yàn)橐沤^這兩者暴露在全 CMV 之下。
• 電氣噪聲和電涌極易嚴(yán)重影響毫伏量程表的讀數(shù)。
• 必須在幾毫秒內(nèi)且?guī)缀跬瑫r(shí)地測(cè)量多個(gè)電池單元，以確定準(zhǔn)確的電池單元和電池組的總體狀態(tài)。否則，電池單元之間的測(cè)量時(shí)間偏差會(huì)造成誤導(dǎo)性結(jié)論以及基于誤導(dǎo)性結(jié)論的措施。
• 大量的電池單元意味著在電池單元和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的其他部分之間需要某種多路復(fù)用布局，否則互連線路的尺寸、重量和成本會(huì)大大增加。

最后，還有一些與安全、冗余和錯(cuò)誤報(bào)告有關(guān)的重要和強(qiáng)制性注意事項(xiàng)，這些都是必須考慮的。各個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不同；工業(yè)和電動(dòng)工具與汽車大不相同，有關(guān)汽車的標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的。在任務(wù)關(guān)鍵型汽車系統(tǒng)，如與電池管理有關(guān)的系統(tǒng)，其功能缺失不得導(dǎo)致危險(xiǎn)情況發(fā)生。在這種系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障的情況下，“安全”狀態(tài)要求關(guān)閉電子裝置，并且必須通過(guò)儀表盤燈或其他指示器提醒車輛駕駛員。

然而，對(duì)于一些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，發(fā)生故障或功能缺失有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)事件，不能簡(jiǎn)單地將其關(guān)閉，因此安全目標(biāo)可能包括指定的“與安全相關(guān)的”可用性要求。在這類情況下，可能需要容忍系統(tǒng)中某些類型的故障，以避免危險(xiǎn)事件。

為滿足這類與安全相關(guān)的可用性要求，需要在特定時(shí)間段內(nèi)提供基本功能或已定義的“退出”路徑——盡管存在已定義的故障條件，且安全系統(tǒng)必須在該時(shí)間段內(nèi)容忍故障發(fā)生。憑借這種容錯(cuò)性能，系統(tǒng)能夠在可接受的安全水平下繼續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。ISO 26262“道路車輛功能安全”的關(guān)鍵部分為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了與安全相關(guān)的可用性要求的指導(dǎo)。

集成電路公司加緊提供解決方案

供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了 BMS 集成電路，旨在解決精確讀取串聯(lián)電池的問(wèn)題——盡管會(huì)面臨高 CMV、惡劣電氣環(huán)境。這些 IC 不僅能提供基本的讀數(shù)，而且還解決了多路復(fù)用、隔離和定時(shí)偏移等技術(shù)問(wèn)題。這類 IC符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，并能在適當(dāng)?shù)那闆r下，達(dá)到 ASIL-D 汽車應(yīng)用的認(rèn)證要求，這是汽車領(lǐng)域最高、最嚴(yán)格認(rèn)證級(jí)別。

汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) 是由 ISO 26262 道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)分類方案。該標(biāo)準(zhǔn)改編自 IEC 61508 中關(guān)于汽車工業(yè)的安全完整性等級(jí) (SIL) 規(guī)定。

• 隔離式 CAN 架構(gòu)基于星形配置，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，因?yàn)楦綦x式 CAN 架構(gòu)中的通信線斷裂只會(huì)破壞一個(gè) IC，而電池組的其他部分仍然安全。然而在 CAN 架構(gòu)中，要求每個(gè) IC 都有一個(gè)微處理器和 CAN，使得這種方法成本更高，而且通信速度卻相對(duì)較慢。

• 菊花鏈結(jié)構(gòu)通常比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因?yàn)檫@種架構(gòu)的菊花鏈基于通用異步接收/發(fā)射器 (UART)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、快速的通信，而且沒(méi)有 CAN 的復(fù)雜性。在這種架構(gòu)中，最常見(jiàn)的隔離方式是電容式隔離，但也可以采用變壓器式隔離。但是，菊花鏈結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷線會(huì)導(dǎo)致通信中斷，因此有些菊花鏈系統(tǒng)會(huì)采取“變通”措施，并在斷線期間可以支持一些操作。

其中具有代表性的 BMS IC 有：

• MAX17843 由 Analog Deveice 提供：MAX17843 是一款可編程 12 通道電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集接口，具有豐富的安全功能（圖 3）。該器件經(jīng)過(guò)優(yōu)化后用于汽車系統(tǒng)的電池、HEV 電池組、電動(dòng)汽車以及任何疊接一長(zhǎng)串電壓最高可達(dá) 48 V 的二次金屬電池的系統(tǒng)。
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圖 3：MAX17843 的 12 通道電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集接口集成了多種安全功能，使其非常適用于汽車應(yīng)用并滿足各種規(guī)定。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

MAX17843集成了一條高速差分 UART 總線，用于強(qiáng)大的菊花鏈串行通信。這條總線支持在一個(gè)菊花鏈中連接多達(dá) 32 個(gè) IC（圖 4）。UART 使用電容隔離，不僅減少了物料清單 (BOM) 成本，還降低了及時(shí)故障 (FIT) 率。

圖 4：12 通道 MAX17843 在其菊花鏈 UART 配置中使用電容電隔離，一條菊花鏈支持多達(dá) 32 個(gè)器件。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

模擬前端由一個(gè) 12 通道電壓測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一個(gè)高壓開關(guān)組輸入構(gòu)成。所有的測(cè)量都是在每個(gè)電池單元上以差分形式進(jìn)行的。滿量程測(cè)量范圍為 0 至 5.0 V，有效范圍為 0.2至 4.8 V。測(cè)量期間，使用高速逐次逼近 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以 14 位分辨率通過(guò)超采樣對(duì)電池單元電壓進(jìn)行數(shù)字化?？梢栽?142 μs 內(nèi)完成對(duì)所有 12 個(gè)電池單元的測(cè)量。

MAX17843采用雙掃描方法收集電池單元測(cè)量值并對(duì)其進(jìn)行誤差修正，因此在工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了出色的測(cè)量精度。在 +25°C 和 3.6 V 的條件下，電池單元差分測(cè)量的精確度規(guī)定為 ±2 mV。為了便于設(shè)計(jì)導(dǎo)入該 IC，Analog Devices 提供了 MAX17843EVKIT# 評(píng)估套件。這種套件帶有基于 PC 的圖形化用戶界面 (GUI)，可用于設(shè)置、配置和評(píng)估。

• 由 Renesas 提供的 ISL78714ANZ-T：ISL78714 鋰離子 BMS IC 可監(jiān)控多達(dá) 14 個(gè)串聯(lián)電池單元，提供精確的電池電壓和溫度監(jiān)控、電池平衡和豐富的系統(tǒng)診斷功能。在典型配置中，主 ISL78714 通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 端口與主微控制器通信，并且還有多達(dá) 29 個(gè) ISL78714 器件通過(guò)一個(gè)強(qiáng)大的專有雙線菊花鏈相連（圖 5）。這種通信系統(tǒng)高度靈活，可以使用電容隔離、變壓器隔離或兩者的組合使用，且速度高達(dá)1 兆比特/秒 (Mb/s)。
  
  

圖 5：ISL78714 使用 SPI 端口將多個(gè)器件連接在一個(gè)可使用電容式或變壓器式隔離的雙線菊花鏈中。（圖片來(lái)源：Renesas Electronics Corp.）

初始電壓測(cè)量精度為 ±2 mV，在 20°C 至 +85°C 下且 1.65 至 4.28 V 范圍內(nèi)的分辨率為 14 位；在 ±5.0 V 的電池單元輸入范圍內(nèi)，板裝配后的器件精度為嚴(yán)格的 ±2.5 mV（負(fù)電壓范圍通常用于滿足母線排需求）。

• BQ76PL455APFCR（和 BQ79616PAPRQ1）均來(lái)自 Texas Instruments： bq76PL455A 是一款 16 單元電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)器件，專為高可靠性、高電壓工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。集成的高速、差分、電容隔離接口支持多達(dá) 16 個(gè) bq76PL455A 器件，通過(guò)高速 UART 接口以高達(dá) 1Mb/s 的速度通過(guò)雙絞線菊花鏈與主機(jī)通信（圖 6）。
  
  

圖 6：bq76PL455A 16 單元電池管理 IC 針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，使用電容隔離來(lái)連接多達(dá) 16 個(gè)器件，通過(guò)菊花鏈布局以高達(dá) 1 Mb/s 的速度通過(guò)雙絞線通信。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

• LTC6813-1 來(lái)自 Analog Devices, Inc.：LTC6813-1 是一款符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的多單元電池組監(jiān)測(cè)器，通過(guò)其帶有可編程噪聲濾波器的 16 位三角積分 ADC，可測(cè)量多達(dá)18 個(gè)串聯(lián)的電池單元且總測(cè)量誤差小于 2.2 mV（圖 9）。請(qǐng)注意，相比其他能夠直接支持電池單元的 IC 來(lái)講，該器件可支持的數(shù)量更多。所有 18 個(gè)電池單元都可以在 290 μs 內(nèi)完成測(cè)量，并且能夠選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以獲得更高的降噪效果。

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（作者：Bill Schweber 來(lái)源：得捷電子DigiKey）