在@@电动化趋势带动下@@，汽车正发生着翻天覆地的@@变化@@，核心三大件由燃油车的@@发动机@@、底盘和@@变速箱变成了电动汽车@@的@@@@“三电系统@@@@”——电驱@@、电池@@、电控@@。根据@@车企公布的@@成本数据@@，电池@@系统@@是@@电动汽车@@中成本占比最高的@@部件@@，接近总成本的@@@@40%。
一方面@@，电动汽车@@的@@电池@@系统@@@@“坏不起@@”。在@@电动汽车@@的@@维修项目中@@，一旦和@@电池@@系统@@挂钩@@，维修成本将骤增@@。算上维修系统@@的@@@@零部件溢价@@，一旦电池@@系统@@出问题@@，往往需要花费整车价近六成的@@成本进行维修@@。另一方面@@@@，偶发的@@电动汽车@@自燃事故证明@@，电动汽车@@电池@@爆燃具备@@更大的@@破坏力@@，且留给驾乘人员的@@逃生时间更短@@。因此@@，保障电池@@系统@@的@@@@安全稳定@@，是@@整个电动汽车@@产业的@@共同目标@@。
实际上@@，从手机和@@电动自行车发生爆燃事故开始@@，公众和@@产业界就开始重视锂电池@@的@@安全问题@@，只是@@在@@汽车领域@@，安全的@@概念得到了进一步的@@加强@@。这篇文章@@，我们就来具体解读一下锂电池@@的@@安全防护@@，并为@@大家推荐贸泽电子@@分销的@@能够保障电池@@安全的@@元器件@@。
关于锂电池@@安全@@
众所周知@@，由于自身物理特性@@，锂电池@@具有相当的@@危险性@@。锂电池@@充电时@@，将电能转化为@@化学能进行能量储存@@，放电时则将化学能转化成电能进行能量释放@@。而锂电池@@一旦储存了能量@@，不可控的@@能量释放就会引起爆燃@@。由于智能手机@@、电动自动车@@、电动汽车@@都在@@追求长续航@@，电池@@系统@@的@@@@高能量密度已成为@@一种产品优势@@，但这其实进一步增加了爆燃的@@破坏力@@。
当然@@，锂电池@@最终的@@破坏力呈现是@@通过爆燃方式@@，但这并不是@@瞬间完成的@@@@，而是@@以热失控的@@形式有一个渐进的@@过程@@。何种情况会造成锂电池@@热失控呢@@？行业将这些情况统称为@@滥用条件@@。
通过查看中国国家标准@@GBT31485-2015《电动汽车@@用动力蓄电池@@安全要求及实验方法@@》后发现@@，滥用条件包括过放@@、过充@@、内外短路@@、挤压和@@跌落等@@。
以电动汽车@@动力电池@@系统@@为@@例@@，其一般由电芯@@、BMS（电池@@管理@@系统@@@@）、结构件@@（箱体@@、导线@@、接插件等@@）和@@热管理系统@@组成@@。
电芯就是@@单节的@@锂离子电池@@@@，由正极片@@、负极片@@、隔膜@@、电解液和@@结构件@@组成@@。很多动力电池@@系统@@事故@@，比如自燃@@，都是@@由电芯内短路引起的@@@@。发生内短路之后@@，电芯温度会快速上升@@。当温度达到一定程度后@@，电芯内保护负极活性物质的@@隔膜@@便会消失@@，导致负极完全裸露@@，电解液在@@电极表面大量分解放热@@，这是@@后续电池@@内部产生一系列放热副反应的@@第一步@@。然后大量热量和@@可燃气体释放@@，最终造成系统@@爆燃@@。
此外@@，还有两种会引起电池@@系统@@发生爆燃的@@滥用情况是@@高温和@@过充@@@@，其中@@高温也包括由于过放和@@外短路造成的@@系统@@温度快速上升@@，而这些都是@@@@BMS系统@@监控的@@重点@@。BMS负责监控电池@@端@@电压@@、电池@@间能量均衡@@、电池@@组总电压@@/电流@@、电池@@端@@/电池@@组温度等@@。如上所述@@，当这些指标发生异变后@@，电池@@便会进入滥用条件@@，如果不能及时制止@@，便会造成爆燃事故@@。
电动汽车@@对高性能@@BMS有迫切的@@需求@@。与此同时@@@@，电动汽车@@市场的@@快速增长也对@@BMS产品有积极的@@带动作用@@。
根据@@QYReaserch的@@分析数据@@，2020年全球汽车@@BMS市场规模达到了@@217亿元@@，预计@@2027年将达到@@885亿元@@，年复合增长率@@（CAGR）为@@26.19%。
BMS被很多业者称之为@@@@“电池@@保姆@@”或@@者@@“电池@@管家@@”，其主要作用是@@智能化动态管理@@，以及维护各个电池@@单元@@，防止电池@@出现过充@@和@@过放@@，延长电池@@的@@使用寿命@@，监控电池@@的@@状态@@。在@@电池@@管理@@方面@@，BMS能够准确获取动力电池@@组@@的@@荷电状态@@（State of Charge，即@@SOC），保证@@SOC维持在@@合理的@@范围内@@，防止由于过充@@电或@@过放电对电池@@造成损伤@@。当发现电池@@组中某些电池@@的@@电压或@@者@@容量过高@@/过低时@@，BMS具备@@在@@单体电池@@间进行均衡的@@能力@@，这是@@防止电芯进入滥用情况的@@关键一环@@，既延长了系统@@寿命@@，又杜绝了安全风险@@，同时@@为@@快充提供了安全稳定的@@运行条件@@。
总结而言@@，在@@电动自行车@@、电动汽车@@应用中@@，BMS系统@@主要实现以下功能@@：
除了在@@@@BMS和@@电池@@材料等关键技术@@领域做创新外@@，为@@了促进锂电池@@的@@安全使用@@，政策端也在@@加紧颁布相关条例@@，力图@@对产业起到正确的@@引导作用@@。
LTC3300
适用于电动汽车@@的@@多节电池@@平衡器@@@@
在@@上面的@@分析中@@，我们以汽车动力电池@@系统@@为@@例@@，解读了哪些滥用情况会导致动力电池@@组的@@爆燃风险@@，并提到了@@BMS系统@@在@@动力电池@@系统@@安全层面起的@@重要作用@@。接下来@@，我们要介绍的@@第一款产品便是@@能够应用于@@电动汽车@@@@BMS系统@@的@@@@LTC3300多节电池@@平衡器@@。该产品由制造商@@ADI供应@@，贸泽电子@@上该产品的@@供应@@商产品编号为@@@@LTC3300HLXE-2#WPBF。
LTC3300双向多节电池@@平衡器@@是@@一款故障保护控制器@@IC，适用于对多节电池@@的@@电池@@组进行基于变压器的@@双向主动电荷平衡@@。通过图@@@@1可以看到@@，LTC3300具备@@丰富的@@管脚功能@@，在@@器件内部集成了各种相关的@@栅极驱动电路@@、高精度电池@@传感@@、故障检测电路和@@一个带内置看门狗定时器的@@坚固型串行接口@@。
图@@1：LTC3300引脚配置@@（图@@源@@：ADI）
图@@2是@@LTC3300的@@典型应用框图@@@@@@，该器件可利用一个高达@@@@36V的@@输入共模电压对多达@@6节串联连接的@@电池@@进行电荷平衡@@，解决了单向平衡在@@电池@@组中电池@@电压很低时的@@低效问题@@，从而实现长串串接电池@@中每节电池@@的@@电荷平衡@@。尽可能缩短平衡时间并降低功耗@@。通过外部设置@@，平衡电流@@@@可达@@10A。
图@@2：LTC3300典型应用框图@@@@（图@@源@@：ADI）
同时@@，LTC3300具备@@行业领先的@@可扩展性@@，借助其电平转换@@SPI兼容型串行接口@@，能在@@不采用光耦或@@隔离器的@@情况下完成多个@@LTC3300-1器件的@@串联连接@@，可堆叠支持@@1000V以上的@@系统@@@@。并且串联连接的@@@@LTC3300-1可以同时@@工作@@，因此@@能够对电池@@组中的@@所有电池@@同时@@独立地进行电荷平衡@@。此外@@，LTC3300还能够与@@LTC680x系列多单元电池@@堆栈监控器无缝集成@@。
如图@@@@3所示@@，LTC3300具备@@高达@@@@92%的@@平衡器效率@@。
图@@3：LTC3300的@@实测效率@@（图@@源@@：ADI）
全面出色的@@保护性能是@@@@LTC3300器件的@@一大亮点@@，能够提供各种故障保护特性@@，包括回读能力@@、循环冗余校验@@（CRC）错误检测@@、最大导通时间伏特@@-秒钳位@@和@@过压关断@@。
当应用于@@串接式锂离子电池@@的@@@@BMS系统@@时@@，LTC3300-1组成的@@电池@@组平衡器是@@系统@@中@@的@@关键部件@@，能够和@@监视器@@、充电器@@、微处理器或@@微控制器协同工作@@。图@@4是@@LTC3300-1应用于@@BMS系统@@的@@@@原理图@@@@@@，电池@@组平衡器在@@系统@@中@@的@@作用是@@@@，针对某一个给定的@@失衡电池@@与相邻的@@较大的@@电池@@组@@（其包含失衡电池@@@@）进行电荷转移@@，以达到单电池@@和@@整个电池@@组的@@电压或@@容量平衡@@。
图@@4：LTC3300-1应用于@@BMS的@@原理图@@@@（图@@源@@：ADI）
在@@BMS系统@@中@@，LTC3300和@@LTC680x系列多单元电池@@堆栈监控器的@@无缝集成提供了高精度的@@电压监视保护@@。高达@@92%的@@平衡效率让@@LTC3300和@@具备@@相同平衡器功耗@@、效率仅为@@@@80%的@@方案相比@@，平衡电流@@@@可提升一倍多@@。
这种高效的@@平衡方式@@，延长了动力电池@@组的@@使用寿命@@，有助于实现更快的@@充电速度@@。从系统@@安全来看@@，更高效的@@电池@@平衡可以避免情况恶化@@。出现电芯电压或@@能量不平衡时@@，如果不能快速解决@@，就容易进一步恶化为@@过充@@或@@者@@过放@@，这正是@@我们上述提到的@@滥用情况@@。
在@@潜在@@应用场景上@@，LTC3300除了适用于电动汽车@@或@@者@@插电式混合动力汽车@@（HEV）的@@BMS系统@@外@@，也可应用于@@通用型多节电池@@的@@电池@@组监测@@、大功率@@UPS/电网@@能量存储系统@@等市场@@。
了解更多@@LTC3300信息@@，请@@点击这@@里@@@@>>
ISL94216x
可精确监控的@@电池@@前端@@@@IC
上述内容中@@，我们多次提到了@@BMS在@@电动汽车@@中的@@重要作用@@，并介绍了一款可用于电动汽车@@@@BMS电池@@平衡的@@元器件@@。实际上@@，BMS系统@@在@@电动自行车@@领域也极为@@重要@@。频发的@@事故让电动自行车已经被禁止进入居民楼内@@，但是@@要杜绝此类事故@@，还是@@要从根本上提高@@各类型轻型电动车的@@电池@@安全@@。
接下来@@这款器件便可用于轻型电动车的@@@@BMS系统@@，它就是@@@@ISL94216x电池@@前端@@IC，来自制造商@@Renesas Electronics。工程师朋友通过在@@贸泽电子@@上搜索制造商器件编号@@ISL94216IRZ，就可以精准地找到它@@。
图@@5：ISL94216x电池@@前端@@IC（图@@源@@：Renesas Electronics）
图@@6是@@ISL94216x电池@@前端@@IC的@@系统@@框图@@@@@@，展现了该器件的@@集成特性@@。该器件支持@@I²C、SPI和@@单线协议栈@@，可在@@电池@@管理@@解决方案中连接@@MCU。
图@@6：ISL94216x电池@@前端@@IC系统@@框图@@@@（图@@源@@：Renesas Electronics）
ISL94216x电池@@前端@@IC具备@@多项电池@@监测功能@@，能够定期扫描电池@@状态和@@工作环境@@，以优化电池@@寿命并防止灾难性故障@@。该器件搭载的@@差分多路复用器和@@@@16位@@ADC可精确监控电池@@组整体状态下的@@电池@@电压@@、温度和@@负载电流@@@@。同时@@，器件里@@的@@充电@@/负载唤醒检测电路能够动态获取电池@@组的@@工作情况@@。
BMS系统@@的@@@@核心功能是@@监测和@@平衡@@。在@@电池@@平衡方面@@，ISL94216x电池@@前端@@IC具有内部电池@@平衡电路@@，可提供每节@@8mA平衡电流@@@@。因此@@，当应用于@@轻型电动车@@BMS系统@@时@@，该器件能够提供多种操作模式和@@监测@@/保护功能@@。
在@@此额外强调一下@@ISL94216x电池@@前端@@IC的@@开路检测功能@@@@，电路框图@@如图@@@@@@7所示@@，其中@@VC0-VC16检查连接器和@@电池@@之间的@@导线@@@@（蓝色@@），VSS和@@VBAT1 OW检查红色的@@连接@@，以此来判断@@BMS和@@电池@@单元的@@连接是@@否断开@@。
图@@7：ISL94216x电池@@前端@@IC开路检测功能@@（图@@源@@：Renesas Electronics）
开路检测是@@@@BMS自诊断中一项很重要的@@功能@@，一旦连接器和@@电池@@组断开连接@@，BMS将不能继续提供系统@@监测和@@调节功能@@，如果此时其他电路继续工作@@，不仅会损害电池@@组@@，甚至会造成事故@@。
了解更多@@ISL94216x信息@@，请@@点击这@@里@@@@>>
将危险扼杀在@@萌芽期@@
从当前产业的@@技术@@现状来看@@，锂电池@@自身的@@风险性在@@未来很长一段时间内还将继续存在@@@@，但产业界对此并非束手无策@@。从系统@@监测到电池@@平衡@@，各大厂商提供的@@电池@@保护元器件能够将锂电池@@的@@危险扼杀在@@萌芽期@@。
BMS系统@@的@@@@重要性已经得到了全行业的@@认可@@。面向未来@@，BMS需要更好的@@状态估算技术@@@@、电池@@诊断技术@@@@、主动均衡技术@@@@，云化@@BMS也会成为@@必然的@@趋势@@；在@@产品形态上@@，分布式管理让@@BMS的@@功能更加清晰@@、分离@@，并借助集成技术@@融入到不同的@@域控制器中@@；再有@@，BMS将追求更先进的@@功能安全@@，做到电池@@全生命周期的@@安全管理@@；此外@@，低成本技术@@是@@未来@@BMS主要的@@实现方式@@。
当然@@，电子@@元器件是@@实现这一切的@@基石@@。而这些带有出色保护性能的@@元器件@@，工程师朋友在@@贸泽电子@@的@@@@“电池@@管理@@”栏目下都能够轻松获取到@@，并且有丰富的@@开发工具与元器件相关联@@，帮助工程师朋友把好锂电池@@应用的@@@@“安全关@@”。
本文转载自@@： 贸泽电子@@微信公众号@@@@