【導(dǎo)讀】鋰離子技術(shù)已成為電池供電設(shè)備的動(dòng)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(shì)。但是，該技術(shù)也有缺點(diǎn)，那就是必須進(jìn)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(yùn)行時(shí)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(dòng)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(shì)。但是，該技術(shù)也有缺點(diǎn)，那就是必須進(jìn)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(yùn)行時(shí)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(dòng)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(shì)。但請(qǐng)注意，要想鋰離子電池安全可靠且壽命長(zhǎng)，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(dú)特功能和先進(jìn)的控制能夠，能夠更大限度地提高運(yùn)行時(shí)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(huì)繼續(xù)發(fā)展下去
電池早在 1800 年左右就已出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)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(shí)開始，電池技術(shù)開始不斷發(fā)展，現(xiàn)如今帶來了能夠長(zhǎng)時(shí)間通話的手機(jī)、強(qiáng)大的無繩手持工具和電動(dòng)汽車 (EV)。從電動(dòng)自行車到電動(dòng)跑車，它們都具有相當(dāng)不錯(cuò)的續(xù)航里程。 立法也是一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。例如，最早到 2024 年，加利福尼亞州可能會(huì)禁止銷售以天然氣為燃料的園林機(jī)械，無繩電動(dòng)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(dòng)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?yàn)殇囯x子電池使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能重量比高，而且要比鉛酸電池更加經(jīng)濟(jì)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(gè) 3.8 V 的電池就能夠?yàn)樵S多設(shè)計(jì)供電。
不過，該技術(shù)也有缺點(diǎn)。鋰離子電池必須受到妥善保護(hù)，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(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)發(fā)生爆炸或火災(zāi)。下方圖 1 顯示了安培小時(shí) (Ah) 級(jí)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(gè)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(dá)到 4.2 V，充電器切換至恒壓模式。
3. 然后，隨著電池達(dá)到飽和，電流不斷減小。
4. 對(duì)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(shí)，便表示鋰離子電池已充滿電。達(dá)到該閾值后，充電過程會(huì)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?yàn)樽苑烹姸鴮?dǎo)致電壓降至另一個(gè)閾值電壓以下，電池可能會(huì)進(jìn)入 “循環(huán)充電” 階段來重新開始充電，并會(huì)對(duì)電池溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)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(shí)，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(hù)方法必須穩(wěn)定可靠。此外，工具或機(jī)器應(yīng)能在寒冷冬季閑置時(shí)，盡可能地保留電量，并在用戶需要再次使用時(shí)，能夠隨時(shí)準(zhǔn)備好以最大功率安全地投入使用。
對(duì)于騎乘式割草機(jī)等需要更高功率的應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提高了電池電壓，以擴(kuò)展電池容量和運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)保持電流可控。現(xiàn)在，串聯(lián)多達(dá) 20 個(gè)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(xiǎn)。此外，串聯(lián)意味著，整個(gè)電池組的運(yùn)行時(shí)間和壽命取決于最弱的電池。針對(duì)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(gè)電池上的應(yīng)力，即通過某種方式強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池電量相等。
另一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)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(shí)，這只會(huì)給使用者帶來一點(diǎn)小麻煩。但是，如果是電動(dòng)高爾夫球車或騎乘式割草機(jī)在球道中間意外停止，問題就會(huì)比較嚴(yán)重。SOC 指示頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡姵仉妷翰⒉皇且粋€(gè)很好的衡量指標(biāo)，它取決于溫度和剩余電量。
鋰離子電池的其中一個(gè)出色特性是，放電電壓會(huì)一直保持相對(duì)平穩(wěn)，直到電量耗盡，但這對(duì)于作為指示并沒有幫助。解決方案是測(cè)量實(shí)際充入和消耗的電量，也就是所謂的 “庫(kù)侖計(jì)量”。但是，正如手機(jī)用戶所熟悉的，該技術(shù)可能會(huì)失去校準(zhǔn)，因此建議偶爾對(duì)電池進(jìn)行完全放電，以 “重置” 計(jì)算。
健康狀況 (SOH) 也是一個(gè)有用的衡量指標(biāo)。隨著時(shí)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(huì)減少。這就意味著，100% 電量指示所代表的容量和運(yùn)行時(shí)間會(huì)逐漸減少。同樣，電池電壓也不是 SOH 的一個(gè)很好的衡量指標(biāo)，但內(nèi)阻可作為一個(gè)指標(biāo)，它根據(jù)電壓隨負(fù)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(jià)值
考慮到鋰離子電池充電控制和監(jiān)測(cè)要求的復(fù)雜性，集成式智能電池管理系統(tǒng) (BMS) 是一個(gè)頗具吸引力的解決方案。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)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(jì)算能力，該 IC 能夠添加先進(jìn)的功能和特性。這類先進(jìn)功能示例包括電池健康狀況測(cè)定、電池平衡控制、精確庫(kù)侖計(jì)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(duì)通信功能的需求會(huì)不斷增長(zhǎng)。
集成式 BMS 可以包含多個(gè)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(shí)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(shí)其浮點(diǎn)處理技術(shù)有助于執(zhí)行高級(jí)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(jì)人員可能對(duì) 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(jìn)行定制。例如，可在 SRAM 中記錄故障事件以進(jìn)行診斷，或者可生成數(shù)據(jù)表以分析充電/放電性能，并實(shí)現(xiàn) SOH 預(yù)測(cè)性維護(hù)。
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(jìn)行電池電流、溫度與單個(gè)電池電壓監(jiān)測(cè)，并且能夠監(jiān)測(cè)多達(dá) 20 個(gè)電池，以實(shí)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(cè)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(cè)接口可以具備可編程增益，以便準(zhǔn)確地測(cè)量較寬范圍的電池電流，并使用毫歐級(jí)低值檢測(cè)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(duì)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(dòng)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(lán)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(shí)，BMS 也需要處于休眠模式，并提供基本的電池電壓監(jiān)測(cè)。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(shí)施 BMS 解決方案的簡(jiǎn)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(dá) 20 個(gè)具有相關(guān)高壓驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測(cè)額定值的電池。隨附固件可以實(shí)現(xiàn)全面的充放電控制和監(jiān)測(cè)，另外還借助算法實(shí)現(xiàn)了庫(kù)侖計(jì)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(cè)的 Windows GUI 以及完整文檔。
(來源：Qorvo半導(dǎo)體)
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