未来继续向前发展：智能电池管理帮助打造优化设计

Qorvo半导体 2023-03-20 12:17

汽车用卸负载电阻低价方案 热管理技术新标杆：ST维也纳PFC与FOC控制方案深度解析

锂离子技术已成为电池供电设备的动力来源，与其他化学电池相比，锂离子电池具有很多优势。但是，该技术也有缺点，那就是必须进行妥善管理，以确保它们安全地充电和放电。本博客文章将探索锂离子技术的发展历史与挑战，并介绍用于控制运行时间、灵活性和安全性的智能电池系统管理解决方案。

在各种可充电工具、手持设备和电动交通工具中，锂离子电池十分常见。在这些及许多其他应用中，锂离子电池与其他化学电池相比，存在很多优势。但请注意，要想锂离子电池安全可靠且寿命长，必须避开充放电模式方面的一些陷阱。本博客文章将探讨相关挑战并确定理想的解决方案。我们还将介绍一种新的集成式智能电池管理单芯片解决方案，该解决方案提供独特功能和先进的控制能够，能够更大限度地提高运行时间、灵活性和安全性。

电池技术已有 200 多年发展历史，并会继续发展下去

电池早在 1800 年左右就已出现，当时意大利物理学家亚历山德罗·伏特通过用浸泡了盐水的纸板分隔铜片和锌片，发明了 “伏打电堆”。但是，这种 “原电池” 性能下降迅速，而且无法充电。又过了 59 年，采用铅酸结构的可充电电池（也称为 “蓄电池”）问世。从那时开始，电池技术开始不断发展，现如今带来了能够长时间通话的手机、强大的无绳手持工具和电动汽车 (EV)。从电动自行车到电动跑车，它们都具有相当不错的续航里程。立法也是一个驱动因素。例如，最早到 2024 年，加利福尼亚州可能会禁止销售以天然气为燃料的园林机械，无绳电动版本是唯一合理的替代方案。

锂离子电池是现代设备的首选化学电池

在可充电移动应用中，为了获得出色的整体性能，锂离子电池现在是最受欢迎的电池类型。为什么？因为锂离子电池使用寿命长、储能重量比高，而且要比铅酸电池更加经济高效。锂离子电池还具备其他有用的特性，比如没有 “记忆” 效应、自放电小，并且单个 3.8 V 的电池就能够为许多设计供电。

不过，该技术也有缺点。锂离子电池必须受到妥善保护，防止发生电压过高、充放电电流过大、深度放电，以及电池温度过高。如果不能满足这些标准，可能会发生爆炸或火灾。下方图 1 显示了安培小时 (Ah) 级电池的理想安全充电模式。

如图所示，锂离子电池的典型充电过程包含多个阶段：

采用 “1C” 大小的恒定电流，将电池电量充至大约 70%。
电池电压达到 4.2 V，充电器切换至恒压模式。
然后，随着电池达到饱和，电流不断减小。
对于传统含钴锂电池，当电流降至电池 Ah 额定值的 3%-5% 时，便表示锂离子电池已充满电。达到该阈值后，充电过程会终止，以避免电池发生性能退化。

图 1. 锂离子电池充电模式

如果因为自放电而导致电压降至另一个阈值电压以下，电池可能会进入 “循环充电” 阶段来重新开始充电，并会对电池温度进行持续监测，以检测任何热应力。

安全性至关重要，但了解容量和健康状况也同样重要

管理电池充放电时，安全性是首要考虑因素。由于锂离子电池通常用于高度不受控的环境，比如花园和家庭工作间，因此保护方法必须稳定可靠。此外，工具或机器应能在寒冷冬季闲置时，尽可能地保留电量，并在用户需要再次使用时，能够随时准备好以最大功率安全地投入使用。

对于骑乘式割草机等需要更高功率的应用，产品设计人员提高了电池电压，以扩展电池容量和运行时间，同时保持电流可控。现在，串联多达 20 个电池来产生 90 V 或更高电压的情况十分常见。一旦出现故障，这增加了电击、电压击穿和高能释放的相关风险。此外，串联意味着，整个电池组的运行时间和寿命取决于最弱的电池。针对这一情况，任何充电系统都应该确保充电模式能够平衡每个电池上的应力，即通过某种方式强制实现各个电池电量相等。

另一个重要关注点是精确了解电池的剩余电量 (SOC) 或 “电量”。当无绳电钻仍显示有电，却意外停止工作时，这只会给使用者带来一点小麻烦。但是，如果是电动高尔夫球车或骑乘式割草机在球道中间意外停止，问题就会比较严重。SOC 指示颇具挑战性，因为电池电压并不是一个很好的衡量指标，它取决于温度和剩余电量。

锂离子电池的其中一个出色特性是，放电电压会一直保持相对平稳，直到电量耗尽，但这对于作为指示并没有帮助。解决方案是测量实际充入和消耗的电量，也就是所谓的 “库仑计量”。但是，正如手机用户所熟悉的，该技术可能会失去校准，因此建议偶尔对电池进行完全放电，以 “重置” 计算。

健康状况 (SOH) 也是一个有用的衡量指标。随着时间推移，以及充电/放电循环次数增加，锂离子电池的容量会减少。这就意味着，100% 电量指示所代表的容量和运行时间会逐渐减少。同样，电池电压也不是 SOH 的一个很好的衡量指标，但内阻可作为一个指标，它根据电压随负载阶跃的变化推断而来。

通过集成电池管理，增加功能并提升价值

考虑到锂离子电池充电控制和监测要求的复杂性，集成式智能电池管理系统 (BMS) 是一个颇具吸引力的解决方案。该系统可以实现为经济高效的紧凑型 IC，其中混合采用模拟与数字技术，并包括处理器、内存和接口。凭借这种计算能力，该 IC 能够添加先进的功能和特性。这类先进功能示例包括电池健康状况测定、电池平衡控制、精确库仑计量、历史数据记录等。另外，该 IC 还可以整合有线与无线通信功能。在互联的世界里，人们对通信功能的需求会不断增长。

集成式 BMS 可以包含多个处理器内核，以处理各种不同的应用，其中热门选择是时钟频率为 50 MHz 的 Arm Cortex M0 或速度更快的 150 MHz M4F。M4F 搭载 128 kB 闪存和 32 kB SRAM，是 M0 的四倍，并配备更多通用 I/O 引脚，同时其浮点处理技术有助于执行高级算法。这两种内核都提供 UART（通用异步接收器/发射器）、SPI（串行外设接口）和 I2C/SMBus 接口，M4F 还具备 CAN（控制器局域网络）。

设计人员可能对 ARM^® 器件及其编程工具比较熟悉，除了用于通用功能的任何已有嵌入式固件，这些器件还支持进行定制。例如，可在 SRAM 中记录故障事件以进行诊断，或者可生成数据表以分析充电/放电性能，并实现 SOH 预测性维护。

集成式 BMS 需要模拟接口，其中包括以适当 ADC（模数转换器）分辨率和精度进行电池电流、温度与单个电池电压监测，并且能够监测多达 20 个电池，以实现广泛的适用性。为了确保安全性和效率，该器件应具备电流和故障检测功能，以便触发快速硬件关断，从而防止电池或 BMS 出现延迟和产生应力。电流检测接口可以具备可编程增益，以便准确地测量较宽范围的电池电流，并使用毫欧级低值检测电阻，以尽可能地减少损耗并缩小尺寸。

BMS 通常使用外部背对背功率 MOSFET 来控制充电电流，并在发生过载或短路的必要情况下中断放电电流。出于系统通信和其他系统考量，最好将 MOSFET 置于正电压轨或 “高侧” 上。这意味着，如果使用常见的 N 沟道 MOSFET，栅极驱动器电压必须高于充电器或电池的电源电压。不过，带有电荷泵电路的集成式 BMS 中可以满足该要求。同样，BMS IC 可以包含降压和线性稳压器，以产生内部和外部辅助电源轨。

例如，适用于低功耗蓝牙模块的 3.3 V 应用，在该应用中，管理系统必须包含所有这些功能，但仍具有低功耗。即使在终端设备关闭后存放时，BMS 也需要处于休眠模式，并提供基本的电池电压监测。在该状态下，电流消耗应该不超过几微安，以避免电池过度放电。

实施 BMS 解决方案的简单方法

Qorvo 电源应用控制器系列中的单芯片集成式解决方案提供锂离子电池管理系统需要具备的上述所有功能。首先上市的是 PAC22140 和 PAC25140 两款器件，它们分别采用 Arm M0 和 M4F 内核。这些器件支持多达 20 个具有相关高压驱动和监测额定值的电池。随附固件可以实现全面的充放电控制和监测，另外还借助算法实现了库仑计量和 50 mA 电池平衡功能。Qorvo 为这些器件提供全方位的支持，其中包括软硬件开发套件、用于配置和监测的 Windows GUI 以及完整文档。

电源管理基础

Power Management Fundamentals For Dummies