如何用BMIC解決由多個電池單元串聯(lián)而成電池串的問題

　　充電電池正越來越多地用于更高的電壓和更大的功率，其應(yīng)用包括電動汽車 （EV） 和混合動力汽車 （HEV）、電動工具、草坪清理設(shè)備和不間斷電源。眾所周知，雖然任何一種化學(xué)制品都需要仔細監(jiān)測和管理，以確保有效、可靠和安全的操作，但為了滿足這些車輛或設(shè)備的功率需求而需要串聯(lián)層疊幾十個電池單元，就需要設(shè)計人員給予更多的關(guān)注，特別是每塊電池的電池單元數(shù)量增加的情況下。

　　監(jiān)測和測量單個電池單元或只包含幾個電池單元的小型電池組只是一種適度的挑戰(zhàn)，相比由多個電池單元串聯(lián)而成的電池串來說要簡單得多。疊接多電池單元的設(shè)計者需要考慮諸多問題，如在高共模電壓下進行測量、是否存在危險電壓、單個電池單元故障的影響、大量電池單元的的復(fù)用、電池單元不匹配和平衡，以及疊接電池的溫差等，不勝枚舉。這些電池既需要先進的電池管理集成電路 （BMIC） 和電池管理系統(tǒng) （BMS） 來進行參數(shù)測量和控制，也需要設(shè)計人員掌握一些工程知識，以便正確使用它們。

　　本文將討論常見的、特別是多單元電池的管理基礎(chǔ)知識及各種挑戰(zhàn)。然后介紹并說明如何使用 Analog Devices、Renesas Electronics Corp. 和 Texas Instruments 提供的 BMIC。這些器件專門用來解決由多個電池單元串聯(lián)而成的電池串的獨特管理問題。

　　串聯(lián)電池串帶來了獨特的挑戰(zhàn)

　　常見的電池監(jiān)測包括流入和流出電池的電流（電量）測量、端子電壓監(jiān)測、電池容量評估、電池溫度監(jiān)測以及充電/放電周期管理，從而優(yōu)化能量儲存性能并在電池的使用壽命內(nèi)最大限度地增加充放電次數(shù)。使用廣泛的 BMIC 或 BMS 可為僅由一個或兩個電池單元構(gòu)成的、電壓為個位數(shù)的小型電池組提供這些功能。BMIC 或 BMS 作為數(shù)據(jù)采集前端，其數(shù)據(jù)報告給電池管理控制器 （CMC）；在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，CMC 與被稱作電池管理控制器 （BMC） 的高級功能器件連接。

　　在本文中，“電池單元”是一個單獨的儲能單元，而“電池”是指由多個電池單元串聯(lián)和/或并聯(lián)組成的整個電源組。雖然一個電池單元只產(chǎn)生幾伏電壓，但一個電池組可以由幾十個或更多的電池單元組成，以提供高達幾十伏的電壓，而多個電池組組合后可提供甚至更高的電壓。

　　為了有效管理，需要測量的關(guān)鍵電池參數(shù)是端子電壓、充電/放電電流和溫度?，F(xiàn)代電池組對所需的測量性能相當(dāng)嚴(yán)苛：每個電池單元必須能夠在幾毫伏 （mV） 和幾毫安 （mA） 之內(nèi)以及大約 1 攝氏度 （℃） 條件下對其進行測量。對電池單元進行如此嚴(yán)苛監(jiān)測的原因包括：

　　確定電池組的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH），從而準(zhǔn)確地預(yù)測電池組的剩余容量（運行時間）和總預(yù)期壽命。

　　提供實現(xiàn)電池平衡所需的數(shù)據(jù)，盡管電池的內(nèi)部存在差異以及不同的位置、溫度和老化情況，但可以平衡已充電電池單元之間的電壓。如果不進行電池平衡，將導(dǎo)致電池組性能降低，甚至損壞電池單元。平衡過程可通過無源或有源技術(shù)來完成；后者效果更佳，但成本更高，也更復(fù)雜。

　　要防止許多可能損壞電池并造成諸如車輛及其乘員等用戶安全問題的情況。這些包括了多種不利情況，如：

　　過壓或以過大的電流充電，可能導(dǎo)致熱擊穿。

　　欠電壓：單次過放電不會導(dǎo)致災(zāi)難性故障，但可能開始溶解陽極導(dǎo)體。隨后重復(fù)的過度放電周期會導(dǎo)致充電電池單元中出現(xiàn)鋰電鍍情況，并再次出現(xiàn)潛在的熱擊穿。

　　溫度過高會影響電池電解質(zhì)材料的性能，導(dǎo)致 SOC 降低；這也會增加固體電解質(zhì)中間相 （SEI） 的形成，從而導(dǎo)致電阻率增加且不均勻，造成功率損失。

　　溫度過低也是一個問題，因為溫度過低可能造成鋰沉積，進而導(dǎo)致容量損失。

　　過電流以及由于內(nèi)部阻抗不均勻和最終的熱失控而導(dǎo)致的內(nèi)部發(fā)熱；這會增加電池中的 SEI 層，增大電阻率。

　　例如，在測試臺或其他良性環(huán)境下，準(zhǔn)確測量某個電池單元的電壓是相當(dāng)直接地做法，這是一個難題。設(shè)計人員只需在想要測量的電池單元上連接一個浮動（非接地）或電池供電型數(shù)字電壓表 （DVM）（圖 1）。

圖 1：測量串聯(lián)電池的任何單個電池單元的電壓從概念上來講非常簡單，只需要一塊浮動數(shù)字電壓表即可。（圖片來源：Bill Schweber）

　　然而，由于許多原因，在電動汽車或混合動力汽車等的電氣條件和惡劣環(huán)境下，要想自信且安全地進行測量是相當(dāng)困難的。這點在具有代表性的電動車電源組例子中表現(xiàn)的很清楚。這種電源組包括 6720 個鋰離子電池單元，由八個控制模塊管理（圖 2）。

圖 2：實際電池組是指以模塊形式呈現(xiàn)的、以串聯(lián)和并聯(lián)方式連接的電池單元陣列，這種陣列中儲存了大量的能量；這些就是使得電池電壓測量變得非常復(fù)雜的因素。（圖片來源：Analog Devices）

　　每個電池單元的容量為 3.54 安培小時 （Ah），因此總標(biāo)稱儲能為 100 千瓦小時（3.54 Ah x 4.2 V x 6720 個電池單元）。在 96 個以串聯(lián)形式連接的電池單元組中，每組包括 70 個以并聯(lián)方式連接的電池單元，電池電壓為 403.2 V（96 × 4.2 V），容量為 248 Ah（100 kWh/403.2 V 或 3.54 A × 70）。

　　其中的問題包括：

　　由于存在高共模電壓 （CMV），在測量只有個位數(shù)的低電壓時，必須滿足分辨率和準(zhǔn)確度要求，以獲得有意義的毫伏級精確度。這就是一種挑戰(zhàn)，它可能使測量系統(tǒng)過載或影響讀數(shù)的有效性。這里的 CMV 是指相對系統(tǒng)公共點（也被稱為“地”，盡管這種說法有誤），直至被測電池單元的所有串聯(lián)電池的電壓之和。請注意，在電動車中，可以串聯(lián)多達 96 個甚至 128 個電池單元串聯(lián)，以達到數(shù)百伏的 CMV。

　　由于高 CMV，為了電氣完整性和用戶/系統(tǒng)安全，必須將電池與系統(tǒng)的其他部分進行電隔離，因為要杜絕這兩者暴露在全 CMV 之下。

　　電氣噪聲和電涌極易嚴(yán)重影響毫伏量程表的讀數(shù)。

　　必須在幾毫秒內(nèi)且?guī)缀跬瑫r地測量多個電池單元，以確定準(zhǔn)確的電池單元和電池組的總體狀態(tài)。否則，電池單元之間的測量時間偏差會造成誤導(dǎo)性結(jié)論以及基于誤導(dǎo)性結(jié)論的措施。

　　大量的電池單元意味著在電池單元和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的其他部分之間需要某種多路復(fù)用布局，否則互連線路的尺寸、重量和成本會大大增加。

　　最后，還有一些與安全、冗余和錯誤報告有關(guān)的重要和強制性注意事項，這些都是必須考慮的。各個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不同；工業(yè)和電動工具與汽車大不相同，有關(guān)汽車的標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的。在任務(wù)關(guān)鍵型汽車系統(tǒng)，如與電池管理有關(guān)的系統(tǒng)，其功能缺失不得導(dǎo)致危險情況發(fā)生。在這種系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障的情況下，“安全”狀態(tài)要求關(guān)閉電子裝置，并且必須通過儀表盤燈或其他指示器提醒車輛駕駛員。

　　然而，對于一些系統(tǒng)來說，發(fā)生故障或功能缺失有可能導(dǎo)致危險事件，不能簡單地將其關(guān)閉，因此安全目標(biāo)可能包括指定的“與安全相關(guān)的”可用性要求。在這類情況下，可能需要容忍系統(tǒng)中某些類型的故障，以避免危險事件。

　　為滿足這類與安全相關(guān)的可用性要求，需要在特定時間段內(nèi)提供基本功能或已定義的“退出”路徑——盡管存在已定義的故障條件，且安全系統(tǒng)必須在該時間段內(nèi)容忍故障發(fā)生。憑借這種容錯性能，系統(tǒng)能夠在可接受的安全水平下繼續(xù)運行更長時間。ISO 26262“道路車輛功能安全”的關(guān)鍵部分為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了與安全相關(guān)的可用性要求的指導(dǎo)。

　　集成電路公司加緊提供解決方案

　　供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了 BMS 集成電路，旨在解決精確讀取串聯(lián)電池的問題——盡管會面臨高 CMV、惡劣電氣環(huán)境。這些 IC 不僅能提供基本的讀數(shù)，而且還解決了多路復(fù)用、隔離和定時偏移等技術(shù)問題。這類 IC 符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，并能在適當(dāng)?shù)那闆r下，達到 ASIL-D 汽車應(yīng)用的認(rèn)證要求，這是汽車領(lǐng)域最高、最嚴(yán)格認(rèn)證級別。

　　汽車安全完整性等級 （ASIL） 是由 ISO 26262 道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險分類方案。該標(biāo)準(zhǔn)改編自 IEC 61508 中關(guān)于汽車工業(yè)的安全完整性等級 （SIL） 規(guī)定。

　　盡管大致來講這些 BMS 器件的功能相似，但它們在結(jié)構(gòu)、可處理的電池單元數(shù)量、掃描速度、分辨率、獨特的功能和互連方法方面存在一定的差異：

　　? 隔離式 CAN 架構(gòu)基于星形配置，具有很強的穩(wěn)定性，因為隔離式 CAN 架構(gòu)中的通信線斷裂只會破壞一個 IC，而電池組的其他部分仍然安全。然而在 CAN 架構(gòu)中，要求每個 IC 都有一個微處理器和 CAN，使得這種方法成本更高，而且通信速度卻相對較慢。

　　? 菊花鏈結(jié)構(gòu)通常比較經(jīng)濟實惠，因為這種架構(gòu)的菊花鏈基于通用異步接收/發(fā)射器 （UART），能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、快速的通信，而且沒有 CAN 的復(fù)雜性。在這種架構(gòu)中，最常見的隔離方式是電容式隔離，但也可以采用變壓器式隔離。但是，菊花鏈結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷線會導(dǎo)致通信中斷，因此有些菊花鏈系統(tǒng)會采取“變通”措施，并在斷線期間可以支持一些操作。

　　其中具有代表性的 BMS IC 有：

　　? MAX17843 由 Analog Deveice 提供：MAX17843 是一款可編程 12 通道電池監(jiān)測數(shù)據(jù)采集接口，具有豐富的安全功能（圖 3）。該器件經(jīng)過優(yōu)化后用于汽車系統(tǒng)的電池、HEV 電池組、電動汽車以及任何疊接一長串電壓最高可達 48 V 的二次金屬電池的系統(tǒng)。

圖 3：MAX17843 的 12 通道電池監(jiān)測數(shù)據(jù)采集接口集成了多種安全功能，使其非常適用于汽車應(yīng)用并滿足各種規(guī)定。（圖片來源：Analog Devices）

　　MAX17843 集成了一條高速差分 UART 總線，用于強大的菊花鏈串行通信。這條總線支持在一個菊花鏈中連接多達 32 個 IC（圖 4）。UART 使用電容隔離，不僅減少了物料清單 （BOM） 成本，還降低了及時故障 （FIT） 率。

圖 4：12 通道 MAX17843 在其菊花鏈 UART 配置中使用電容電隔離，一條菊花鏈支持多達 32 個器件。（圖片來源：Analog Devices）

　　模擬前端由一個 12 通道電壓測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和一個高壓開關(guān)組輸入構(gòu)成。所有的測量都是在每個電池單元上以差分形式進行的。滿量程測量范圍為 0 至 5.0 V，有效范圍為 0.2 至 4.8 V。測量期間，使用高速逐次逼近 （SAR） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 以 14 位分辨率通過超采樣對電池單元電壓進行數(shù)字化?？梢栽?142 μs 內(nèi)完成對所有 12 個電池單元的測量。

　　MAX17843 采用雙掃描方法收集電池單元測量值并對其進行誤差修正，因此在工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了出色的測量精度。在 +25°C 和 3.6 V 的條件下，電池單元差分測量的精確度規(guī)定為 ±2 mV。為了便于設(shè)計導(dǎo)入該 IC，Analog Devices 提供了 MAX17843EVKIT# 評估套件。這種套件帶有基于 PC 的圖形化用戶界面 （GUI），可用于設(shè)置、配置和評估。

　　? 由 Renesas 提供的ISL78714ANZ-T：ISL78714 鋰離子 BMS IC 可監(jiān)控多達 14 個串聯(lián)電池單元，提供精確的電池電壓和溫度監(jiān)控、電池平衡和豐富的系統(tǒng)診斷功能。在典型配置中，主 ISL78714 通過串行外設(shè)接口 （SPI） 端口與主微控制器通信，并且還有多達 29 個 ISL78714 器件通過一個強大的專有雙線菊花鏈相連（圖 5）。這種通信系統(tǒng)高度靈活，可以使用電容隔離、變壓器隔離或兩者的組合使用，且速度高達 1 兆比特/秒 （Mb/s）。

圖 5：ISL78714 使用 SPI 端口將多個器件連接在一個可使用電容式或變壓器式隔離的雙線菊花鏈中。（圖片來源：Renesas Electronics Corp.）

　　初始電壓測量精度為 ±2 mV，在 20°C 至 +85°C 下且 1.65 至 4.28 V 范圍內(nèi)的分辨率為 14 位；在 ±5.0 V 的電池單元輸入范圍內(nèi)，板裝配后的器件精度為嚴(yán)格的 ±2.5 mV（負(fù)電壓范圍通常用于滿足母線排需求）。

　　該 BMS 包括三種電池平衡模式：手動平衡模式、定時平衡模式和自動平衡模式。自動平衡模式在主機規(guī)定的電荷量從每個電池單元中移除后，結(jié)束平衡模式。如果失去通信的話，在所有關(guān)鍵功能的集成式系統(tǒng)診斷功能中會有一個看門狗關(guān)斷裝置。

　　? BQ76PL455APFCR（和 BQ79616PAPRQ1）均來自 Texas Instruments： bq76PL455A 是一款 16 單元電池監(jiān)測和保護器件，專為高可靠性、高電壓工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計。集成的高速、差分、電容隔離接口支持多達 16 個 bq76PL455A 器件，通過高速 UART 接口以高達 1Mb/s 的速度通過雙絞線菊花鏈與主機通信（圖 6）。

圖 6：bq76PL455A 16 單元電池管理 IC 針對工業(yè)應(yīng)用，使用電容隔離來連接多達 16 個器件，通過菊花鏈布局以高達 1 Mb/s 的速度通過雙絞線通信。（圖片來源：Texas Instruments）

　　14 位 ADC 使用一個內(nèi)部基準(zhǔn)，所有電池單元輸出的轉(zhuǎn)換時間均為 2.4 ms。bq76PL455A 可監(jiān)測和檢測幾種不同的故障條件，包括過壓、欠壓、過溫和通信故障。該器件支持使用外部 n-FET 的無源電池單元平衡，以及通過外部開關(guān)矩陣柵極驅(qū)動器的有源平衡。

　　這種 BMS 可以輕松處理最多不超過 16 個電池單元的電池串。這樣做的唯一限制是必須按照升序使用輸入，將所有未使用的輸入一起連接至未使用最高 VSENSE_ 輸入。例如，在 13 個電池單元的設(shè)計中，輸入 VSENSE14、VSENSE15 和 VSENSE16 未使用（圖 7）。

圖 7：bq76PL455A 可用于少于 16 個電池單元；在這種情況下，未使用電池單元的輸入必須是鏈中最高的。（圖片來源：Texas Instruments）

　　如 Texas Instruments 的 bq79616PAPRQ1 等的其他 IC 還可支持環(huán)形配置和雙向通信，使系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測電池組的健康和安全狀態(tài)（圖 8）。

圖 8：bq79616PAPRQ1 支持雙向環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便在斷線或節(jié)點故障的情況下提供另外的鏈路連接路徑。（圖片來源：Texas Instruments）

　　如果在這種配置中，兩個電池監(jiān)測 ASIC 之間出現(xiàn)故障、開路或短路的情況，控制處理器能夠通過切換信息的前后傳遞方向，繼續(xù)與所有的電池監(jiān)測 ASIC 進行通信。因此，如果正常通信遇到故障，系統(tǒng)可以利用環(huán)形通信功能的容錯能力來保持可用性，同時有不會丟失來自電池模塊的電壓和溫度信息。對于希望嘗試 bq79616PAPRQ1 的設(shè)計人員，Texas Instruments provides 提供了 BQ79616EVM 評估板。

　　? LTC6813-1 來自 Analog Devices， Inc.：LTC6813-1 是一款符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的多單元電池組監(jiān)測器，通過其帶有可編程噪聲濾波器的 16 位三角積分 ADC，可測量多達 18 個串聯(lián)的電池單元且總測量誤差小于 2.2 mV（圖 9）。請注意，相比其他能夠直接支持電池單元的 IC 來講，該器件可支持的數(shù)量更多。所有 18 個電池單元都可以在 290 μs 內(nèi)完成測量，并且能夠選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以獲得更高的降噪效果。

圖 9：LTC6813-1 可支持的最多電池單元 （18），并采用了 16 位 ADC 來實現(xiàn) 2.2 mV 的精度和高速電池單元掃描能力。（圖片來源：Analog Devices， Inc.）

　　可串聯(lián)多個 LTC6813-1 器件，從而允許同時對較長的高壓電池串的電池單元進行監(jiān)測。LTC6813-1 支持兩種串行端口：標(biāo)準(zhǔn)四線 SPI 和 2 線隔離接口 （isoSPI）。非隔離四線端口適用于較短距離的鏈路和一些非汽車應(yīng)用（圖 10）。

圖 10：LTC6813-1支持標(biāo)準(zhǔn)四線 SPI 互連，用于較短距離的鏈接和一些非汽車應(yīng)用。（圖片來源：Analog Devices， Inc.）

　　1 Mbit/s 的隔離串行通信端口使用單根雙絞線，距離可達 100 m，具有較低的電磁干擾 （EMI） 敏感性和輻射，因為該接口設(shè)計旨在實現(xiàn)較低數(shù)據(jù)包錯誤率，即使在電纜受到高射頻場的影響情況下也是如此。即使出現(xiàn)了諸如通信路徑斷線等故障，菊花鏈的這種雙向能力也能確保通信的完整性。

　　在其兩線配置模式下，隔離是通過外部變壓器實現(xiàn)的，標(biāo)準(zhǔn) SPI 信號被編碼為差分脈沖。傳輸脈沖強度和接收器閾值水平通過兩個外部電阻 RB1 和 RB2 設(shè)定（圖 11）。電阻值由設(shè)計人員選擇，以便在功率耗散和抗噪強度之間進行權(quán)衡。

圖 11：LTC6813-1 還提供了一個通過單根雙絞線的 2 線、1 Mb/s、變壓器隔離式串行通信端口，其距離可達 100 米，且同時具有低 EMI 敏感性和低輻射。（圖片來源：Analog Devices， Inc.）

　　LTC6813-1 可以直接從受其監(jiān)測的電池組或從一個單獨的隔離電源供電。該器件還包括用于每個電池單元的無源平衡功能，以及使用脈寬調(diào)制 （PWM） 進行的單獨占空比控制功能。

　　總結(jié)

　　準(zhǔn)確測量單個電池單元或僅有幾個電池單元組成的小型電池組的電壓、電流和溫度，或多或少會帶來一些挑戰(zhàn)。然而，由于大量電池單元、高 CMV、電噪聲、監(jiān)管規(guī)定和其他問題，在串聯(lián)電池串的單個電池單元上準(zhǔn)確測量這些相同的參數(shù)并在惡劣的汽車和工業(yè)環(huán)境中進行測量時（電池單元之間的時間偏差忽略不計），將是一個挑戰(zhàn)。

　　為此，設(shè)計人員可以借助專門為這些應(yīng)用設(shè)計的 IC（如圖所示）。這種 IC 支持所需的電隔離、精度和快速掃描時間，可以解決此類問題。因此，這種 IC 能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的可操作結(jié)果，有助于作出關(guān)鍵的高水平電池管理決策。