锂离子技术@@已成为电池供电设备@@的@@动力来源@@，与其他化学电池相比@@，锂离子电池@@具有很多优势@@。但是@@@@，该@@技术@@也有缺点@@，那就是@@必须进行妥善管理@@，以@@确保它们安全地充电和@@放电@@。本@@188金宝搏@@ 文章将探索锂离子技术@@的@@发展历史与挑战@@，并介绍用于控制运行时@@间@@、灵活性和@@安全性@@的@@智能电池系统管理解决方案@@。
在各种可充电工具@@、手持设备@@和@@电动交通工具中@@，锂离子电池@@十分常见@@。在这些及许多其他应用@@中@@，锂离子电池@@与其他化学电池相比@@@@，存在很多优势@@。但请注意@@，要想锂离子电池@@安全可靠且寿命长@@，必须避开充放电模式方面的@@一些陷阱@@。本@@188金宝搏@@ 文章将探讨相关挑战并确定理想的@@解决方案@@。我们还将介绍一种新的@@集成式@@智能电池管理@@单芯片解决方案@@，该@@解决方案提供独特功能和@@先进的@@控制能够@@，能够更大限度地提高@@运行时@@间@@、灵活性和@@安全性@@。
电池技术@@已有@@ 200 多年@@发展历史@@，并会继续发展下去@@
电池早在@@ 1800 年@@左右就已出现@@，当时@@意大利物理学家亚历山德罗@@·伏特通过用浸泡了盐水的@@纸板分隔铜片和@@锌片@@，发明了@@ “伏打电堆@@”。但是@@@@，这种@@ “原电池@@” 性能下降迅速@@，而且无法充电@@。又过了@@ 59 年@@，采用@@铅酸结构的@@可充电电池@@（也称为@@ “蓄电池@@”）问世@@。从那时@@开始@@，电池技术@@开始不断发展@@，现如今带来了能够长时@@间通话的@@手机@@、强大的@@无绳手持工具和@@电动汽车@@ (EV)。从电动自行车到电动跑车@@，它们都具有相当不错的@@续航里程@@。 立法也是@@一个驱动因素@@。例如@@，最早到@@ 2024 年@@，加利福尼亚州可能会禁止销售以@@天然气为燃料的@@园林机械@@，无绳电动版本@@是@@唯一合理的@@替代方案@@。
锂离子电池@@是@@现代设备@@的@@首选化学电池@@
在可充电移动应用@@中@@，为了获得出色的@@整体性能@@，锂离子电池@@现在@@是@@最受欢迎的@@电池类型@@。为什么@@？因为锂离子电池@@使用寿命长@@、储能重量比高@@，而且要比铅酸电池更加经济高效@@。锂离子电池@@还具备@@@@其他有用的@@特性@@，比如没有@@ “记忆@@” 效应@@、自放电小@@，并且单个@@ 3.8 V 的@@电池就能够为许多设计供电@@。
不过@@，该@@技术@@也有缺点@@。锂离子电池@@必须受到妥善保护@@，防止发生电压过高@@、充放电电流过大@@、深度放电@@，以@@及电池温度过高@@。如果不能满足这些标准@@，可能会发生爆炸或@@火灾@@。下方图@@@@ 1 显示了安培小时@@@@ (Ah) 级电池的@@理想安全充电模式@@。
如图@@所示@@，锂离子电池@@的@@典型充电过程包含多个阶段@@：
1. 采用@@ “1C” 大小的@@恒定电流@@，将电池电量@@充至大约@@ 70%。
2. 电池电压达到@@ 4.2 V，充电器切换至恒压模式@@。
3. 然后@@，随着电池达到饱和@@@@，电流不断减小@@。
4. 对于传统含钴锂电池@@，当电流降至电池@@ Ah 额定值的@@@@ 3%-5% 时@@，便表示锂离子电池@@已充满电@@。达到该@@阈值后@@，充电过程会终止@@，以@@避免电池发生性能退化@@。
图@@ 1. 锂离子电池@@充电模式@@
如果因为自放电而导致电压降至另一个阈值电压以@@下@@，电池可能会进入@@ “循环充电@@” 阶段来重新开始充电@@，并会对电池温度进行持续监测@@，以@@检测任何热应力@@。
安全性至关重要@@，但了解容量和@@健康状况@@也同样@@重要@@
管理电池充放电时@@@@，安全性是@@首要考虑因素@@。由于锂离子电池@@通常用于高度不受控的@@环境@@，比如花园和@@家庭工作间@@，因此保护方法必须稳定可靠@@。此外@@，工具或@@机器应能在寒冷冬季闲置时@@@@，尽可能地保留电量@@@@，并在用户需要再次使用时@@@@，能够随时@@准备@@好以@@最大功率安全地投入使用@@。
对于骑乘式割草机等需要更高功率的@@应用@@@@，产品设计人员提高@@了电池电压@@，以@@扩展电池容量和@@运行时@@间@@，同时@@保持电流可控@@。现在@@，串联多达@@ 20 个电池@@来产生@@ 90 V 或@@更高电压的@@情况十分常见@@。一旦出现故障@@，这增加了电击@@、电压击穿和@@高能释放的@@相关风险@@。此外@@，串联意味着@@，整个电池@@组的@@运行时@@间和@@寿命取决于最弱的@@电池@@。针对这一情况@@，任何充电系统都应该@@确保充电模式能够平衡每个电池@@上@@的@@应力@@，即通过某种方式强制实现各个电池@@电量@@相等@@。
另一个重要关注点是@@精确了解电池的@@剩余电量@@@@ (SOC) 或@@ “电量@@”。当无绳电钻仍显示有电@@，却意外停止工作时@@@@，这只会给使用者带来一点小麻烦@@。但是@@@@，如果是@@电动高尔夫球车或@@骑乘式割草机在球道中间意外停止@@，问题就会比较严重@@。SOC 指示颇具挑战性@@，因为电池电压并不是@@一个很好的@@衡量指标@@，它取决于温度和@@剩余电量@@@@。
锂离子电池@@的@@其中一个出色特性是@@@@，放电电压会一直保持相对平稳@@，直到电量@@耗尽@@，但这对于作为指示并没有帮助@@。解决方案是@@测量实际充入和@@消耗的@@电量@@@@，也就是@@所谓的@@@@ “库仑计量@@”。但是@@@@，正如手机用户所熟悉的@@@@，该@@技术@@可能会失去校准@@，因此建议偶尔对电池进行完全放电@@，以@@ “重置@@” 计算@@。
健康状况@@ (SOH) 也是@@一个有用的@@衡量指标@@。随着时@@间推移@@，以@@及充电@@/放电循环次数增加@@，锂离子电池@@的@@容量会减少@@。这就意味着@@，100% 电量@@指示所代表的@@容量和@@运行时@@间会逐渐减少@@。同样@@，电池电压也不是@@@@ SOH 的@@一个很好的@@衡量指标@@，但内阻可作为一个指标@@，它根据电压随负载阶跃的@@变化推断而来@@。
通过集成电池管理@@@@，增加功能并提升价值@@
考虑到锂离子电池@@充电控制和@@监测要求的@@复杂性@@，集成式@@智能电池管理@@系统@@ (BMS) 是@@一个颇具吸引力的@@解决方案@@。该@@系统可以@@实现为经济高效的@@紧凑型@@ IC，其中混合采用@@模拟与数字技术@@@@，并包括处理器@@、内存和@@接口@@@@。凭借这种@@计算@@能力@@，该@@ IC 能够添加先进的@@功能和@@特性@@。这类先进功能示例包括电池健康状况@@测定@@、电池平衡控制@@、精确库仑计量@@@@、历史数据记录等@@。另外@@，该@@ IC 还可以@@整合有线与无线通信功能@@。在互联的@@世界里@@，人们对通信功能的@@需求会不断增长@@。
集成式@@ BMS 可以@@包含多个处理器内核@@@@，以@@处理各种不同的@@应用@@@@，其中热门选择是@@时@@钟频率为@@ 50 MHz 的@@ Arm Cortex M0 或@@速度更快的@@@@ 150 MHz M4F。M4F 搭载@@ 128 kB 闪存和@@@@ 32 kB SRAM，是@@ M0 的@@四倍@@，并配备@@更多通用@@ I/O 引脚@@，同时@@其浮点处理技术@@有助于执行高级算法@@。这两种内核@@都提供@@ UART（通用异步接收器@@/发射器@@）、SPI（串行外设接口@@@@）和@@ I2C/SMBus 接口@@，M4F 还具备@@@@ CAN（控制器局域网@@络@@）。
设计人员可能对@@ ARM® 器件及其编程工具比较熟悉@@，除了用于通用功能的@@任何已有嵌入式固件@@，这些器件还支持进行定制@@。例如@@，可在@@ SRAM 中记录故障事件以@@进行诊断@@，或@@者可生成数据表以@@分析充电@@/放电性能@@，并实现@@ SOH 预测性维护@@。
集成式@@ BMS 需要模拟接口@@@@，其中包括以@@适当@@ ADC（模数转换器@@）分辨率和@@精度进行电池电流@@、温度与单个电池@@电压监测@@，并且能够监测多达@@ 20 个电池@@，以@@实现广泛的@@适用性@@。为了确保安全性和@@效率@@，该@@器件应具备@@电流和@@故障检测功能@@，以@@便触发快速硬件关断@@，从而防止电池或@@@@ BMS 出现延迟和@@产生应力@@。电流检测接口@@可以@@具备@@可编程增益@@，以@@便准确地测量较宽范围的@@电池电流@@，并使用毫欧级低值检测电阻@@，以@@尽可能地减少损耗并缩小尺寸@@。
BMS 通常使用外部背对背功率@@ MOSFET 来控制充电电流@@，并在发生过载或@@短路的@@必要情况下中断放电电流@@。出于系统通信和@@其他系统考量@@，最好将@@ MOSFET 置于正电压轨或@@@@ “高侧@@” 上@@。这意味着@@，如果使用常见的@@@@ N 沟道@@ MOSFET，栅极驱动器电压必须高于充电器或@@电池的@@电源电压@@。不过@@，带有电荷泵电路的@@集成式@@@@ BMS 中可以@@满足该@@要求@@。同样@@，BMS IC 可以@@包含降压和@@线性稳压器@@，以@@产生内部和@@外部辅助电源轨@@。
例如@@，适用于低功耗蓝牙模块的@@@@ 3.3 V 应用@@，在该@@应用@@中@@，管理系统必须包含所有这些功能@@，但仍具有低功耗@@。即使在终端设备@@关闭后存放时@@@@，BMS 也需要处于休眠模式@@，并提供基本@@的@@电池电压监测@@。在该@@状态下@@，电流消耗应该@@不超过几微安@@，以@@避免电池过度放电@@。
实施@@ BMS 解决方案的@@简单方法@@
Qorvo 电源应用@@控制器系列中的@@单芯片集成式@@解决方案提供锂离子电池@@管理系统需要具备@@的@@上@@述所有功能@@。首先上@@市的@@是@@@@ PAC22140 和@@ PAC25140 两款器件@@，它们分别采用@@@@ Arm M0 和@@ M4F 内核@@。这些器件支持多达@@ 20 个具有相关高压驱动和@@监测额定值的@@@@电池@@。随附固件可以@@实现全面的@@充放电控制和@@监测@@，另外@@还借助算法实现了库仑计量@@和@@@@ 50 mA 电池平衡功能@@。Qorvo 为这些器件提供全方位的@@支持@@，其中包括软硬件开发套件@@、用于配置和@@监测的@@@@ Windows GUI 以@@及完整文档@@。
文章来源@@：Qorvo半导体@@