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          未來繼續(xù)向前發(fā)展:智能電池管理幫助打造優(yōu)化設(shè)計

          作者: 時間:2023-03-22 來源:Qorvo 收藏

          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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202303/444742.htm


          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(biāo)準(zhǔn),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(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(dá)到該閾值后,充電過程會終止,以避免電池發(fā)生性能退化。



          未來繼續(xù)向前發(fā)展:智能電池管理幫助打造優(yōu)化設(shè)計



          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(zhǔn)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(dá) 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(yán)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(biāo),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(zhǔn),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(biāo)。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(biāo),但內(nèi)阻可作為一個指標(biāo),它根據(jù)電壓隨負(fù)載階躍的變化推斷而來。


          通過集成,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(dá) 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(zhǔn)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(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,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


          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。 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:半導(dǎo)體)




          關(guān)鍵詞: Qorvo 電池管理

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