可擴展電池監控器對多節電池進(jìn)行智能管理

工業(yè)類(lèi)電池管理增長(cháng)迅速，許多應用都會(huì )用到多節電池，為了對電池性能進(jìn)行監控，就需要用到智能電池解決方案。日前，德州儀器(TI)針對這一應用市場(chǎng)推出了首批可擴展多節電池監控器bq76920、bq76930和bq76940，其不僅可大幅提升電池組的安全性，而且還可縮短12V~48V鋰離子電池及LiFePO4電池的設計時(shí)間，并能滿(mǎn)足電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)工具、醫療設備以及能源存儲系統等應用的需求。

德州儀器高性能模擬半導體產(chǎn)品部電池管理產(chǎn)品市場(chǎng)及應用經(jīng)理文司華博士介紹說(shuō)，該系列產(chǎn)品是TI首批可擴展電池監控器，面向的是多節電池組的應用。bq76920、bq76930和bq76940分別針對3~5節、6~10節、9~15節串聯(lián)電池應用設計，可以在惡劣的充電條件和工作條件下最大限度地保證電池組的安全運行。

在應用案例方面，文司華指出，助踩式電動(dòng)車(chē)(pedelec)在歐洲一些地方并不劃歸到電動(dòng)車(chē)行列，而是劃歸到人力車(chē)當中。只要pedelec速度達到25km/h，其電動(dòng)機就會(huì )停止。在爬坡和頂風(fēng)騎車(chē)時(shí)車(chē)主可能會(huì )感覺(jué)吃力，這時(shí)它就能起到助力的效果。這類(lèi)產(chǎn)品就廣泛應用了電池管理技術(shù)。

在電力系統的發(fā)輸變配各個(gè)環(huán)節，都可以有不同級別的儲能電站(ESS)系統(將風(fēng)能、太陽(yáng)能等輔助能源存儲在電池組里)并網(wǎng)至電網(wǎng)。ESS很多情況下都是集裝箱的形式，內部包含電池、電池控制、熱管理等。同時(shí)，它可以方便地移動(dòng)至其他地區。

另外，電動(dòng)叉車(chē)是由電池供電，其在起重、載重時(shí)要求放電速率要很大。電動(dòng)工具的應用場(chǎng)景越來(lái)越大，產(chǎn)品形態(tài)也越來(lái)越多。

工業(yè)應用需要多種類(lèi)型的電池，從應用上分，涵蓋了LEV(助踩式)、UPS和ESS、電動(dòng)工具、設備(叉車(chē))以及醫療設備。在電池組尺寸上，電池有單節、2至4節、5至16節以及大于16節之分。有的電池會(huì )更側重在寬泛的溫度范圍(-40℃~125℃)內安全工作，有的電池則會(huì )側重在更長(cháng)的使用壽命、快速放電、低頻次放電或超過(guò)100V的工作電壓等場(chǎng)景。從化學(xué)成分上分，又包括鋰離子、LiFePO4、PbA鉛酸、NiMH和NiCd、超級電容等。

典型的智能電池架構如圖1所示，該電池包可以進(jìn)行供電以及通信。BMS(電池管理系統) MCU可以寫(xiě)入算法，提供智能化操作。從板級面積、成本控制以及一致性等考慮，電壓測量(電量均衡)、溫度測量、電流測量以及充電開(kāi)關(guān)和放電開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)都需要進(jìn)行集成，即多節電池組的模擬前端(AFE)，而bq76920、bq76930和bq76940正是這樣的產(chǎn)品。

圖1：典型的智能電池架構。

智能電池需要做到安全、測量(精確、全面測量電池狀況)、容量指示、健康指示(除電壓、電流外，還需要知道電池的使用壽命有多久)、電量均衡(多節電池串聯(lián)長(cháng)期使用未做監控可能出現單節電池極性反轉，鋰電池不允許出現此類(lèi)情況)、黑盒取證(電池失效返修提供最后十次所出現問(wèn)題的保修證據)、選擇性連接/斷開(kāi)(極度的工作條件下通過(guò)算法斷開(kāi)與外部的連接)以及自適應性(根據不同的應用場(chǎng)景做算法優(yōu)化)。

該系列產(chǎn)品內置ADC(14位ADC可測量電壓和溫度，16位“庫侖計數器”ADC可追蹤流過(guò)的電荷)與硬件保護功能。LDO(2.5V/3.3V可選)、電池均衡、MOSFET驅動(dòng)等特性的集成能夠使板級空間銳減30%。一體化通用數字接口I2C能夠簡(jiǎn)化設計。

此外，該系列可以和電量計/微控制器bq78xxx(還未量產(chǎn)，2014年下半年上市)搭配使用(圖2)。作為AFE產(chǎn)品，鋰離子監控器集成了所有參量的測量部分，再加上與TI標配的bq78xxx預編程配套微控制器結合使用，便形成了完整的turnkey解決方案。同時(shí)，bq78xxx提供了高靈活性、基于閃存的CEDV測量技術(shù)，幾乎可以替換任何微控制器。以往，單節電量計只能監控一節電池，并且需要復雜的運放前端將電池電壓降下來(lái)，而bq78xxx則可以通過(guò)bq769xx去監控每一節電池。

圖2：電池監控器bq76940與電量計/微控制器bq78xxx搭配使用。