【導(dǎo)讀】鋰離子電池因其極具吸引力的性能和成本指標(biāo)，目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)便攜式設(shè)備中。然而，其必須具備精確的充放電控制才能保證安全；這就要求實(shí)施電池管理系統(tǒng)。
鋰離子電池因其極具吸引力的性能和成本指標(biāo)，目前已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)便攜式設(shè)備中。然而，其必須具備精確的充放電控制才能保證安全；這就要求實(shí)施電池管理系統(tǒng)。
本文將圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)討論，并介紹一種既經(jīng)濟(jì)高效又能為用戶(hù)帶來(lái)額外益處的集成解決方案，包括荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）監(jiān)測(cè)等。
回顧歷史，曾被考慮用于電池的化學(xué)成分可謂五花八門(mén)，或許已有數(shù)百種之多——從意大利科學(xué)家Alessandro Volta于1800年左右發(fā)明的原始銅鋅紙板原電池，到常見(jiàn)的可充電鉛酸電池，再到能夠在90秒內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)充滿電的奇異（且仍為理論構(gòu)想）“量子”電池。不過(guò)，目前鋰離子電池憑借在功率和能量水平上的廣泛適用性成為眾多應(yīng)用領(lǐng)域的首選；能量范圍從典型手機(jī)中的10瓦時(shí)（Wh）到電動(dòng)汽車(chē)中的數(shù)百千瓦時(shí)（kWh）不等。有時(shí)人們會(huì)擔(dān)心鋰資源的稀缺性；大眾汽車(chē)估算全球鋰儲(chǔ)量?jī)H為1400萬(wàn)噸，但該公司計(jì)算認(rèn)為，即使按照2018年的消耗率，這些儲(chǔ)量仍可供人類(lèi)使用150年以上。
圖1，部分電池化學(xué)成分對(duì)比
鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)
鋰離子電池預(yù)計(jì)將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，科學(xué)界和工程界正在不斷努力提升其性能，不僅是在容量方面，還有安全性——這始終是一個(gè)關(guān)鍵考量。鋰離子電池之所以備受歡迎，主要得益于其重量能量密度（Wh/kg）、體積能量密度（Wh/L）和成本的綜合優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖1）。這些是衡量電池商業(yè)價(jià)值的重要指標(biāo)；但與其它類(lèi)型的電池相比，鋰離子電池還具有更多優(yōu)勢(shì)，如更長(zhǎng)的使用壽命、較低的自放電率、低毒性以及帶來(lái)更大便利的高電芯電壓（約為3.8V）。
應(yīng)對(duì)缺點(diǎn)
鋰離子電池的缺點(diǎn)或許已經(jīng)因一些廣為人知的故障案例而廣為人知。首先，其充電電壓必須得到嚴(yán)格控制；充放電電流以及電芯溫度必須監(jiān)測(cè)并限制在一定范圍內(nèi)，且充電必須在電池容量達(dá)到或接近100%時(shí)終止。忽視這些規(guī)定可能會(huì)導(dǎo)致爆炸或火災(zāi)。同時(shí)，為保證電芯的高可靠性和足夠的使用壽命，充電曲線應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)充滿電所需時(shí)間和低應(yīng)力的最佳組合。
如圖2所示,通常的充電過(guò)程是以約1C的恒定電流進(jìn)行;例如,對(duì)于1安時(shí)(Ah)的電池,充電電流為1A(圖中所示階段1),直到電芯達(dá)到約70%(點(diǎn)2)的容量,然后轉(zhuǎn)為恒定電壓充電(階段3)。在此條件下,電池電流逐漸下降,當(dāng)電流值降至1C的3%-5%以下時(shí)(點(diǎn)4),充電終止。這是針對(duì)傳統(tǒng)鈷混合型鋰離子電池的充電方式。如前文所述,鋰離子電池的自放電率較低,不過(guò)有些方案會(huì)在檢測(cè)到電壓下降后,通過(guò)短時(shí)間的充電循環(huán)來(lái)"補(bǔ)足"電量。
圖2,典型的鋰離子電池充電過(guò)程
確定荷電狀態(tài)并非易事
檢測(cè)70%荷電狀態(tài)（SOC）點(diǎn)以觸發(fā)恒壓（充電）操作模式的轉(zhuǎn)換頗具挑戰(zhàn)性。可以通過(guò)瞬間斷開(kāi)充電器并測(cè)量電池的開(kāi)路電壓，然后將其與70%電量的預(yù)期值進(jìn)行比較來(lái)近似估算。這種方法適用于可拆卸的電池模塊在充電器中插入使用的情況；但若電池內(nèi)置于某一產(chǎn)品中進(jìn)行充電，確保在測(cè)量“開(kāi)路”電壓時(shí)沒(méi)有負(fù)載存在，從而真實(shí)反映SOC，則變得非常困難。在放電過(guò)程中，由于鋰離子電芯具有理想的特性；其在耗盡前保持相對(duì)平穩(wěn)的放電電壓特性，因此電芯電壓并非衡量SOC的可靠指標(biāo)。
另一種方法是通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)或氣體計(jì)量法學(xué)習(xí)電池特性并估算SOC。如果可以測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的電流，就可以計(jì)算出累積輸入和釋放的電荷量，進(jìn)而推導(dǎo)出SOC。這取決于對(duì)初始荷電狀態(tài)的感知或記憶，而該狀態(tài)可能未知。為保證一定的準(zhǔn)確性，應(yīng)定期通過(guò)近乎完全放電的過(guò)程來(lái)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。手機(jī)用戶(hù)對(duì)此現(xiàn)象并不陌生。此外，還需考慮容量隨溫度和老化程度變化而損失的因素。
了解電池健康狀態(tài)十分重要
了解電池健康狀態(tài)（SOH）或容量損失情況十分重要；因?yàn)殡S著電池老化或處于低溫環(huán)境下，即使電量指示為100%，實(shí)際可運(yùn)行時(shí)間也會(huì)減少。對(duì)于手持工具或便攜式電器而言，健康狀況不佳、運(yùn)行時(shí)間縮短的電池或許只是帶來(lái)些許不便，但隨著鋰離子電芯被廣泛應(yīng)用于更多移動(dòng)設(shè)備和實(shí)用型應(yīng)用中，系統(tǒng)對(duì)于SOH的感測(cè)可能成為一個(gè)安全問(wèn)題。例如，人行道上的電動(dòng)代步車(chē)電量突然耗盡對(duì)用戶(hù)而言是非常嚴(yán)重的問(wèn)題；因此，實(shí)現(xiàn)“預(yù)測(cè)性維護(hù)”，在電池壽命結(jié)束前及時(shí)更換，極為關(guān)鍵。
與SOC一樣，電芯電壓并非衡量SOH的良好指標(biāo)，但內(nèi)阻可以作為一個(gè)指標(biāo)，通過(guò)給定電流階躍下的電芯端壓降來(lái)計(jì)算得出。更準(zhǔn)確的SOH計(jì)算會(huì)很快變得愈發(fā)復(fù)雜；其需要構(gòu)建特定電池模型，并結(jié)合其預(yù)測(cè)壽命和與環(huán)境相關(guān)的老化情況。隨著時(shí)間的推移，生成模型所需的數(shù)據(jù)集會(huì)異常龐大，因此可能需要利用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理才能獲得準(zhǔn)確得結(jié)果。
電池管理系統(tǒng)不可或缺
為確保安全與效率的最優(yōu)化，需要電池管理系統(tǒng)（BMS）來(lái)控制充放電過(guò)程，同時(shí)以可接受的精度計(jì)算SOC和SOH。不過(guò)，運(yùn)行環(huán)境可能非常惡劣且難以預(yù)測(cè)。鋰離子電池市場(chǎng)的一大部分面向手持工具與園林機(jī)械；如今已包括騎乘式割草機(jī)、鏈鋸和吹葉機(jī)/吹雪機(jī)。此外，電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)等類(lèi)似應(yīng)用電池組電壓高達(dá)90V甚至更高。所有這些設(shè)備通常都工作于不受控環(huán)境中，會(huì)遭受沖擊/振動(dòng)、污染、濕度和極端溫度的影響，且往往缺乏明確的維護(hù)計(jì)劃。
更高的電壓還帶來(lái)了潛在電擊和高能量放電的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，商業(yè)上的壓力要求電池及其管理系統(tǒng)盡可能小巧、輕便、低成本，同時(shí)保持最豐富的功能；還需要實(shí)現(xiàn)最低自放電和休眠模式，以便設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間存放后仍能立即投入使用——甚至無(wú)線連接的需求也在不斷增長(zhǎng)。對(duì)于采用大型電池組的高功率/高價(jià)值應(yīng)用，可能還需要主動(dòng)電芯平衡功能來(lái)確保各電芯荷電狀態(tài)均衡，從而最大化運(yùn)行時(shí)間并最小化應(yīng)力。
集成解決方案
為實(shí)現(xiàn)上述所有功能，一體化解決方案頗具吸引力。Qorvo已為該應(yīng)用設(shè)計(jì)了產(chǎn)品，專(zhuān)注于其它供應(yīng)商目前無(wú)法充分服務(wù)的更高電芯數(shù)量、更高電壓的系統(tǒng)。Qorvo的方法是利用現(xiàn)有電源應(yīng)用控制器（PAC）IC系列中的技術(shù)；該系列采用ARM? Cortex?處理器——分別為時(shí)鐘頻率50MHz的M0內(nèi)核和時(shí)鐘頻率150MHz的M4F內(nèi)核，分別適用于低端和高端應(yīng)用。M4F內(nèi)核產(chǎn)品具有128kB閃存和32kB SRAM——存儲(chǔ)容量是M0內(nèi)核版本的四倍，此外還有更多通用I/O引腳。兩者都具備SPI、UART和I2C/SMBus接口，而M4F版本還具有CAN接口。
首批推出的兩款BMS設(shè)備分別是搭載M0處理器的PAC22140和搭載M4F的PAC25140（圖3）。
圖3，Qorvo的PAC25140集成式BMS
兩種解決方案均針對(duì)20個(gè)電芯的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以支持低至10個(gè)電芯的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電芯的監(jiān)測(cè)和均衡。在高電流路徑中，它們?yōu)楸匾耐獠勘Ｗo(hù)MOSFET提供了柵極驅(qū)動(dòng)，以便在過(guò)載或短路情況下根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)充放電控制和切斷。兩種控制器均包含升壓轉(zhuǎn)換器，從而生成高于電池電壓值的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，讓高成本效益的N溝道MOSFET得以應(yīng)用。此外，這些方案還具備以下特性：
采用完全可固件編程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM架構(gòu)
通過(guò)TinyML[AC1]實(shí)現(xiàn)對(duì)人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用的支持（即將在1月份推出）
配備高分辨率ADC的模擬接口，用于測(cè)量電芯的電壓、電流和溫度
快速硬件關(guān)機(jī)，以避免處理器造成的任何延遲，并在故障條件下最大限度地減輕電池和BMS的壓力
每個(gè)電芯可以在1.8V到4.7V的范圍間工作，且不僅限于鋰離子電池
可編程的電芯欠壓和過(guò)壓監(jiān)測(cè)
在5毫秒的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，以16位精度測(cè)量電芯電壓
電芯平衡由每個(gè)電芯的內(nèi)部FET實(shí)現(xiàn)；FET灌電流可達(dá)50mA
在80V電壓下，休眠電流小于3μA，并具備多種定時(shí)或事件驅(qū)動(dòng)的喚醒選項(xiàng)
這兩款器件的一個(gè)特點(diǎn)是差分電流檢測(cè)接口的可編程增益。這一功能可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行定制，以?xún)?yōu)化信號(hào)水平及精度，例如在低電流值下使用高增益。在高電流應(yīng)用中，以通過(guò)設(shè)置較低的增益來(lái)保持滿量程電壓在一定范圍內(nèi)；或者等效地保持較高增益但使用更小的感應(yīng)電阻以盡量減少耗散。典型的感應(yīng)電阻值低于1毫歐，甚至可以通過(guò)PCB走線來(lái)形成等效電阻，并對(duì)測(cè)量值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。
兩款器件均集成了完整的電源以支持整個(gè)系統(tǒng)，包括降壓和線性穩(wěn)壓器，為低功耗藍(lán)牙?模塊等內(nèi)部和外部輔助電源軌供電。
固件的靈活性
Qorvo的BMS組件內(nèi)置了固件，可實(shí)現(xiàn)全面的充放電控制與監(jiān)測(cè)，并配備電芯均衡及庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法。不同于其它專(zhuān)有解決方案，用戶(hù)可以根據(jù)終端應(yīng)用開(kāi)發(fā)自己的固件；而且，ARM指令集對(duì)于許多開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常熟悉。在簡(jiǎn)單應(yīng)用中，PAC22140器件功能綽綽有余，但PAC25140憑借更高的處理器速度和更大的內(nèi)存，為實(shí)現(xiàn)更多功能、更深入的數(shù)據(jù)分析和故障記錄提供了可能。隨著對(duì)智能功能需求的增長(zhǎng)，TinyML的支持可以提升用戶(hù)體驗(yàn)，并且有可能隨著時(shí)間推移“學(xué)習(xí)”電池特性，以更好地預(yù)測(cè)SOC和SOH（此功能將于一月份推出）。
這兩款器件分別采用緊湊的9毫米 x 9毫米和10毫米 x 10毫米QFN封裝（圖4）；Qorvo提供全面支持，包括軟硬件開(kāi)發(fā)套件、用于配置和監(jiān)測(cè)的Windows圖形用戶(hù)界面（GUI），以及完整的文檔資料。
圖4，Qorvo PAC系列集成型電池管理IC示例
結(jié)論
如今，高性能的集成電池管理系統(tǒng)已經(jīng)可以在功能、尺寸和價(jià)格上滿足大眾市場(chǎng)便攜式設(shè)備的需求，適用于最高達(dá)100V的鋰離子電池組。Qorvo組件的靈活性和可配置性尤其突出，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠添加獨(dú)具特色的差異化功能。敬請(qǐng)期待PAC系列更多版本的發(fā)布，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。
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