鋰電池背后的保護(hù)神

隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)環(huán)保要求的提高，鋰電池正在逐漸成為充電電池的主流，尤其在移動(dòng)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，鋰電池依靠較高的能量密度，已經(jīng)幾乎占領(lǐng)了所有的市場(chǎng)。但是在一些對(duì)動(dòng)力要求比較高的應(yīng)用領(lǐng)域，鋰電池由于在成本和放電率指標(biāo)方面不占優(yōu)勢(shì)，所占份額仍然不高。比如在電動(dòng)自行車領(lǐng)域，鉛酸電池仍舊占據(jù)較高份額，在中國(guó)市場(chǎng)使用鋰電池的只有大概1%的市場(chǎng)份額，而在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家則占據(jù)大概50%。這么低的市場(chǎng)占有率，主要原因當(dāng)然是價(jià)格，但是鋰電池本身的使用壽命和安全性也是一大短板，這些問(wèn)題不能良好地解決，會(huì)極大影響鋰電池的市場(chǎng)占有率。
　　而要解決鋰電池的壽命和安全性就需要專門的監(jiān)控和保護(hù)電路，這是鋰電池相比其他電池的一個(gè)特點(diǎn)，它必須帶有保護(hù)電路，否則就會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而爆炸，以前有過(guò)山寨手機(jī)使用不帶保護(hù)電路的鋰電池，結(jié)果電池爆炸造成傷害事故的報(bào)道。由此可以看出保護(hù)電路的重要性，而以前很多保護(hù)電路是用分立元器件搭出來(lái)，在成本和可靠性方面都不具有優(yōu)勢(shì)，針對(duì)這一市場(chǎng)狀況，德州儀器推出了業(yè)界首款面向電源工具與電動(dòng)自行車的單芯片電池管理器件bq77910。
　　為何是面向電源工具和電動(dòng)自行車的應(yīng)用，這要從支持的電池組串?dāng)?shù)說(shuō)起。因?yàn)樵撈骷闹С址秶?到10串，通過(guò)級(jí)聯(lián)方式可以支持最高20串的電池，鋰電池的串?dāng)?shù)決定了它的輸出電壓，10串就是輸出34V電壓，在這個(gè)范圍內(nèi)，電池的應(yīng)用范圍就是電動(dòng)自行車、電動(dòng)踏板車、便攜式園藝工具、電源工具以及不間斷電源 （UPS） 等，對(duì)電壓電流要求有一定要求，但是要求不是非常高的領(lǐng)域。如果要進(jìn)入電動(dòng)車領(lǐng)域，那么這個(gè)串?dāng)?shù)就可以到100多串，這就不是該器件所能覆蓋的領(lǐng)域了。
　　電池保護(hù)電路的主要作用是在各種條件下保持電池組的安全工作、盡量延長(zhǎng)保持電池的使用壽命、在不超出安全閾值的情況下確保電池組的完全充電和利用。bq77910就是一種集成型電池管理解決方案，提供所有必要的電池組保護(hù)功能和集成型電量平衡功能，包括：
　　電池單元過(guò)壓、電池單元欠壓、充電短路、放電短路過(guò)流、電池組溫度、開路短路熱敏電阻檢測(cè)和開路電池單元檢測(cè)、掉電保護(hù)，防止功率 FET 過(guò)熱等功能。它的最大特色就是以獨(dú)立器件方式運(yùn)行，無(wú)需外部微處理器，內(nèi)部集成邏輯控制部分，這樣就使整體方案的低成本成為可能。
　　bq77910獨(dú)有的保護(hù)特性
　　在該器件所針對(duì)的高功率電池組本身在應(yīng)用中就要經(jīng)受極大的挑戰(zhàn)，比如極高的電流，而且要求放電電流大，充電電流小，負(fù)載本身與電池也要分離。還需要獨(dú)立的充放電路徑，這樣可以根據(jù)所需大小選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)路徑元件（MOSFET），從而減少成本。而在某些應(yīng)用領(lǐng)域，比如電動(dòng)車和UPS中，還需要快速的充放電轉(zhuǎn)換。這些都對(duì)電池組的設(shè)計(jì)以及保護(hù)電路帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　bq77910 為了滿足大功率應(yīng)用需求，所以針對(duì)以上的要求都做了精心的設(shè)計(jì)。比如，通過(guò)配置，可支持具有 4 至 10 串電池單元的電池組工作，在 10 節(jié)配置下，最高輸入電壓為 50 V。它可預(yù)設(shè)安全閾值和時(shí)間延遲（在非易失性存儲(chǔ)器中編程），以便與各種類型的鋰離子電池系統(tǒng)匹配，可以支持LiCoO2、LiFePO4 以及 LiMn2O4 等鋰電池類型。該器件可在電池組制造時(shí)編程，以后無(wú)需外部微控制器便可作為獨(dú)立保護(hù)器工作。它可以直接驅(qū)動(dòng)低側(cè) NMOS 功率FET，NMOS功率控制成本較低，而效率更高，特別是用于高壓大電流應(yīng)用。它的FET 配置很靈活，可根據(jù)需要選擇不同大小的功率 FET（為充電和放電電流提供串行或分離式路徑），可以為客戶帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)。
　　而一般同類的競(jìng)爭(zhēng)器件都不集成保護(hù)性 FET 驅(qū)動(dòng)電路、電流感測(cè)、溫度傳感，這就需要另外使用分立元器件來(lái)完成這些功能。bq77910的單芯片解決方案只需要外部功率 FET和無(wú)源組件，內(nèi)部集成電流感測(cè)與溫度傳感功能并且采用內(nèi)部 FET 實(shí)現(xiàn)電量平衡。無(wú)需外部平衡 FET，在必要時(shí)，也可采用外部 FET 實(shí)現(xiàn)更高電流的電量平衡。而大多數(shù)其它器件的電量平衡功能需要外部 FET 和外部微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)電量平衡管理。電量平衡功能為何那么重要呢？電池組內(nèi)部不匹配的電池單元不能通過(guò)外部接觸檢測(cè)出來(lái)，而電池組內(nèi)部單元不匹配就會(huì)造成電池壽命的極大降低，而且電量不平衡會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸加重，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)單元失效就會(huì)造成整個(gè)電池組的失效。而采用大量電池單元的電池系統(tǒng)由于溫度漸變和電池單元在高放電速率下的自身發(fā)熱，更容易出現(xiàn)不平衡狀況。所以這個(gè)電量平衡功能對(duì)所有的電池組都非常重要。
　　鋰電池由于近年來(lái)放電速率的提高，已經(jīng)占領(lǐng)越來(lái)越多的市場(chǎng)份額，而錳酸鋰以及磷酸鐵鋰電池的在電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)開始商業(yè)化的進(jìn)程，比亞迪就在自己的電動(dòng)車使用了后者，顯然鋰電池已經(jīng)是整個(gè)動(dòng)力電池市場(chǎng)的大勢(shì)所趨，而鋰電池所必需的保護(hù)控制芯片則是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)，相信會(huì)有更多的廠商進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，帶來(lái)更加成熟的產(chǎn)品。
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