Qorvo BMS創(chuàng )新解決方案助力精準SOC和SOH監測，應對鋰離子電池挑戰

鋰離子電池因其極具吸引力的性能和成本指標，目前已廣泛應用于各類(lèi)便攜式設備中。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。

本文將圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)討論，并介紹一種既經(jīng)濟高效又能為用戶(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）監測等。

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秒內為電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電的奇異（且仍為理論構想）“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用領(lǐng)域的首選；能量范圍從典型手機中的10瓦時(shí)（Wh）到電動(dòng)汽車(chē)中的數百千瓦時(shí)（kWh）不等。有時(shí)人們會(huì )擔心鋰資源的稀缺性；大眾汽車(chē)估算全球鋰儲量?jì)H為1400萬(wàn)噸，但該公司計算認為，即使按照2018年的消耗率，這些儲量仍可供人類(lèi)使用150年以上。

圖1，部分電池化學(xué)成分對比

鋰離子電池的優(yōu)勢

鋰離子電池預計將在未來(lái)一段時(shí)間內繼續占據市場(chǎng)主導地位，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（見(jiàn)圖1）。這些是衡量電池商業(yè)價(jià)值的重要指標；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，如更長(cháng)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）。

應對缺點(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格控制；充放電電流以及電芯溫度必須監測并限制在一定范圍內，且充電必須在電池容量達到或接近100%時(shí)終止。忽視這些規定可能會(huì )導致爆炸或火災。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(xiàn)應根據實(shí)際情況調整，以實(shí)現充滿(mǎn)電所需時(shí)間和低應力的最佳組合。

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),直到電芯達到約70%(點(diǎn)2)的容量,然后轉為恒定電壓充電(階段3)。在此條件下,電池電流逐漸下降,當電流值降至1C的3%-5%以下時(shí)(點(diǎn)4),充電終止。這是針對傳統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 )在檢測到電壓下降后,通過(guò)短時(shí)間的充電循環(huán)來(lái)"補足"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70%荷電狀態(tài)（SOC）點(diǎn)以觸發(fā)恒壓（充電）操作模式的轉換頗具挑戰性?？梢酝ㄟ^(guò)瞬間斷開(kāi)充電器并測量電池的開(kāi)路電壓，然后將其與70%電量的預期值進(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；但若電池內置于某一產(chǎn)品中進(jìn)行充電，確保在測量“開(kāi)路”電壓時(shí)沒(méi)有負載存在，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平穩的放電電壓特性，因此電芯電壓并非衡量SOC的可靠指標。

另一種方法是通過(guò)庫侖計數或氣體計量法學(xué)習電池特性并估算SOC。如果可以測量一段時(shí)間內的電流，就可以計算出累積輸入和釋放的電荷量，進(jìn)而推導出SOC。這取決于對初始荷電狀態(tài)的感知或記憶，而該狀態(tài)可能未知。為保證一定的準確性，應定期通過(guò)近乎完全放電的過(guò)程來(lái)進(jìn)行重新校準。手機用戶(hù)對此現象并不陌生。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；因為隨著(zhù)電池老化或處于低溫環(huán)境下，即使電量指示為100%，實(shí)際可運行時(shí)間也會(huì )減少。對于手持工具或便攜式電器而言，健康狀況不佳、運行時(shí)間縮短的電池或許只是帶來(lái)些許不便，但隨著(zhù)鋰離子電芯被廣泛應用于更多移動(dòng)設備和實(shí)用型應用中，系統對于SOH的感測可能成為一個(gè)安全問(wèn)題。例如，人行道上的電動(dòng)代步車(chē)電量突然耗盡對用戶(hù)而言是非常嚴重的問(wèn)題；因此，實(shí)現“預測性維護”，在電池壽命結束前及時(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，但內阻可以作為一個(gè)指標，通過(guò)給定電流階躍下的電芯端壓降來(lái)計算得出。更準確的SOH計算會(huì )很快變得愈發(fā)復雜；其需要構建特定電池模型，并結合其預測壽命和與環(huán)境相關(guān)的老化情況。隨著(zhù)時(shí)間的推移，生成模型所需的數據集會(huì )異常龐大，因此可能需要利用機器學(xué)習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行處理才能獲得準確得結果。

電池管理系統不可或缺

為確保安全與效率的最優(yōu)化，需要電池管理系統（BMS）來(lái)控制充放電過(guò)程，同時(shí)以可接受的精度計算SOC和SOH。不過(guò)，運行環(huán)境可能非常惡劣且難以預測。鋰離子電池市場(chǎng)的一大部分面向手持工具與園林機械；如今已包括騎乘式割草機、鏈鋸和吹葉機/吹雪機。此外，電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)滑板車(chē)等類(lèi)似應用電池組電壓高達90V甚至更高。所有這些設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計劃。

更高的電壓還帶來(lái)了潛在電擊和高能量放電的風(fēng)險。與此同時(shí)，商業(yè)上的壓力要求電池及其管理系統盡可能小巧、輕便、低成本，同時(shí)保持最豐富的功能；還需要實(shí)現最低自放電和休眠模式，以便設備在長(cháng)時(shí)間存放后仍能立即投入使用——甚至無(wú)線(xiàn)連接的需求也在不斷增長(cháng)。對于采用大型電池組的高功率/高價(jià)值應用，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，從而最大化運行時(shí)間并最小化應力。

集成解決方案

為實(shí)現上述所有功能，一體化解決方案頗具吸引力。Qorvo已為該應用設計了產(chǎn)品，專(zhuān)注于其它供應商目前無(wú)法充分服務(wù)的更高電芯數量、更高電壓的系統。Qorvo的方法是利用現有電源應用控制器（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內核和時(shí)鐘頻率150MHz的M4F內核，分別適用于低端和高端應用。M4F內核產(chǎn)品具有128kB閃存和32kB SRAM——存儲容量是M0內核版本的四倍，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20個(gè)電芯的系統進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以支持低至10個(gè)電芯的系統，實(shí)現對單個(gè)電芯的監測和均衡。在高電流路徑中，它們?yōu)楸匾耐獠勘ＷoMOSFET提供了柵極驅動(dòng)，以便在過(guò)載或短路情況下根據需要實(shí)現充放電控制和切斷。兩種控制器均包含升壓轉換器，從而生成高于電池電壓值的柵極驅動(dòng)電壓，讓高成本效益的N溝道MOSFET得以應用。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)標準ARM架構

• 通過(guò)TinyML[AC1]實(shí)現對人工智能（AI）和機器學(xué)習（ML）應用的支持（即將在1月份推出）

• 配備高分辨率ADC的模擬接口，用于測量電芯的電壓、電流和溫度

• 快速硬件關(guān)機，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)壓監測

• 在5毫秒的ADC轉換時(shí)間內，以16位精度測量電芯電壓

• 電芯平衡由每個(gè)電芯的內部FET實(shí)現；FET灌電流可達50mA

• 在80V電壓下，休眠電流小于3μA，并具備多種定時(shí)或事件驅動(dòng)的喚醒選項

這兩款器件的一個(gè)特點(diǎn)是差分電流檢測接口的可編程增益。這一功能可以根據應用需求進(jìn)行定制，以?xún)?yōu)化信號水平及精度，例如在低電流值下使用高增益。在高電流應用中，以通過(guò)設置較低的增益來(lái)保持滿(mǎn)量程電壓在一定范圍內；或者等效地保持較高增益但使用更小的感應電阻以盡量減少耗散。典型的感應電阻值低于1毫歐，甚至可以通過(guò)PCB走線(xiàn)來(lái)形成等效電阻，并對測量值進(jìn)行適當的溫度補償。

兩款器件均集成了完整的電源以支持整個(gè)系統，包括降壓和線(xiàn)性穩壓器，為低功耗藍牙?模塊等內部和外部輔助電源軌供電。

固件的靈活性

Qorvo的BMS組件內置了固件，可實(shí)現全面的充放電控制與監測，并配備電芯均衡及庫侖計數算法。不同于其它專(zhuān)有解決方案，用戶(hù)可以根據終端應用開(kāi)發(fā)自己的固件；而且，ARM指令集對于許多開(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存，為實(shí)現更多功能、更深入的數據分析和故障記錄提供了可能。隨著(zhù)對智能功能需求的增長(cháng)，TinyML的支持可以提升用戶(hù)體驗，并且有可能隨著(zhù)時(shí)間推移“學(xué)習”電池特性，以更好地預測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、用于配置和監測的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

結論

如今，高性能的集成電池管理系統已經(jīng)可以在功能、尺寸和價(jià)格上滿(mǎn)足大眾市場(chǎng)便攜式設備的需求，適用于最高達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)品設計人員能夠添加獨具特色的差異化功能。敬請期待PAC系列更多版本的發(fā)布，以滿(mǎn)足更廣泛的應用需求。