【導讀】在電動化趨勢帶動下，汽車正發生著翻天覆地的變化，核心三大件由燃油車的發動機、底盤和變速箱變成了電動汽車的“三電系統”——電驅、電池、電控。根據車企公布的成本數據，電池系統是電動汽車中成本占比最高的部件，接近總成本的40%。
一方面，電動汽車的電池系統“壞不起”。在電動汽車的維修項目中，一旦和電池系統掛鉤，維修成本將驟增。算上維修系統的零部件溢價，一旦電池系統出問題，往往需要花費整車價近六成的成本進行維修。另一方面，偶發的電動汽車自燃事故證明，電動汽車電池爆燃具備更大的破壞力，且留給駕乘人員的逃生時間更短。因此，保障電池系統的安全穩定，是整個電動汽車產業的共同目標。
實際上，從手機和電動自行車發生爆燃事故開始，公眾和產業界就開始重視鋰電池的安全問題，只是在汽車領域，安全的概念得到了進一步的加強。這篇文章，我們就來具體解讀一下鋰電池的安全防護，并為大家推薦貿澤電子分銷的能夠保障電池安全的元器件。
關于鋰電池安全
眾所周知，由于自身物理特性，鋰電池具有相當的危險性。鋰電池充電時，將電能轉化為化學能進行能量儲存，放電時則將化學能轉化成電能進行能量釋放。而鋰電池一旦儲存了能量，不可控的能量釋放就會引起爆燃。由于智能手機、電動自動車、電動汽車都在追求長續航，電池系統的高能量密度已成為一種產品優勢，但這其實進一步增加了爆燃的破壞力。
當然，鋰電池最終的破壞力呈現是通過爆燃方式，但這并不是瞬間完成的，而是以熱失控的形式有一個漸進的過程。何種情況會造成鋰電池熱失控呢？行業將這些情況統稱為濫用條件。
通過查看中國國家標準GBT31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及實驗方法》后發現，濫用條件包括過放、過充、內外短路、擠壓和跌落等。
以電動汽車動力電池系統為例，其一般由電芯、BMS（電池管理系統）、結構件（箱體、導線、接插件等）和熱管理系統組成。
電芯就是單節的鋰離子電池，由正極片、負極片、隔膜、電解液和結構件組成。很多動力電池系統事故，比如自燃，都是由電芯內短路引起的。發生內短路之后，電芯溫度會快速上升。當溫度達到一定程度后，電芯內保護負極活性物質的隔膜便會消失，導致負極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，這是后續電池內部產生一系列放熱副反應的第一步。然后大量熱量和可燃氣體釋放，最終造成系統爆燃。
此外，還有兩種會引起電池系統發生爆燃的濫用情況是高溫和過充，其中高溫也包括由于過放和外短路造成的系統溫度快速上升，而這些都是BMS系統監控的重點。BMS負責監控電池端電壓、電池間能量均衡、電池組總電壓/電流、電池端/電池組溫度等。如上所述，當這些指標發生異變后，電池便會進入濫用條件，如果不能及時制止，便會造成爆燃事故。
電動汽車對高性能BMS有迫切的需求。與此同時，電動汽車市場的快速增長也對BMS產品有積極的帶動作用。
根據QYReaserch的分析數據，2020年全球汽車BMS市場規模達到了217億元，預計2027年將達到885億元，年復合增長率（CAGR）為26.19%。
BMS被很多業者稱之為“電池保姆”或者“電池管家”，其主要作用是智能化動態管理，以及維護各個電池單元，防止電池出現過充和過放，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。在電池管理方面，BMS能夠準確獲取動力電池組的荷電狀態（State of Charge，即SOC），保證SOC維持在合理的范圍內，防止由于過充電或過放電對電池造成損傷。當發現電池組中某些電池的電壓或者容量過高/過低時，BMS具備在單體電池間進行均衡的能力，這是防止電芯進入濫用情況的關鍵一環，既延長了系統壽命，又杜絕了安全風險，同時為快充提供了安全穩定的運行條件。
總結而言，在電動自行車、電動汽車應用中，BMS系統主要實現以下功能：
● 準確獲取動力電池組SOC，并通過系統算法將SOC維持在合理區間；
● 對電池組和電芯進行均衡管理，包括熱管理、充放電管理等；
● 為電池組提供多種保護功能，包括過充保護、過放保護、短路保護等；
● 借助通信總線和整車系統做信息交互。
除了在BMS和電池材料等關鍵技術領域做創新外，為了促進鋰電池的安全使用，政策端也在加緊頒布相關條例，力圖對產業起到正確的引導作用。
LTC3300
適用于電動汽車的多節電池平衡器
在上面的分析中，我們以汽車動力電池系統為例，解讀了哪些濫用情況會導致動力電池組的爆燃風險，并提到了BMS系統在動力電池系統安全層面起的重要作用。接下來，我們要介紹的第一款產品便是能夠應用于電動汽車BMS系統的LTC3300多節電池平衡器。該產品由制造商ADI供應，貿澤電子上該產品的供應商產品編號為LTC3300HLXE-2#WPBF。
LTC3300雙向多節電池平衡器是一款故障保護控制器IC，適用于對多節電池的電池組進行基于變壓器的雙向主動電荷平衡。通過圖1可以看到，LTC3300具備豐富的管腳功能，在器件內部集成了各種相關的柵極驅動電路、高精度電池傳感、故障檢測電路和一個帶內置看門狗定時器的堅固型串行接口。
圖1：LTC3300引腳配置（圖源：ADI）
圖2是LTC3300的典型應用框圖，該器件可利用一個高達36V的輸入共模電壓對多達6節串聯連接的電池進行電荷平衡，解決了單向平衡在電池組中電池電壓很低時的低效問題，從而實現長串串接電池中每節電池的電荷平衡。盡可能縮短平衡時間并降低功耗。通過外部設置，平衡電流可達10A。
圖2：LTC3300典型應用框圖（圖源：ADI）
同時，LTC3300具備行業領先的可擴展性，借助其電平轉換SPI兼容型串行接口，能在不采用光耦或隔離器的情況下完成多個LTC3300-1器件的串聯連接，可堆疊支持1000V以上的系統。并且串聯連接的LTC3300-1可以同時工作，因此能夠對電池組中的所有電池同時獨立地進行電荷平衡。此外，LTC3300還能夠與LTC680x系列多單元電池堆棧監控器無縫集成。
如圖3所示，LTC3300具備高達92%的平衡器效率。
圖3：LTC3300的實測效率（圖源：ADI）
全面出色的保護性能是LTC3300器件的一大亮點，能夠提供各種故障保護特性，包括回讀能力、循環冗余校驗（CRC）錯誤檢測、最大導通時間伏特-秒鉗位和過壓關斷。
當應用于串接式鋰離子電池的BMS系統時，LTC3300-1組成的電池組平衡器是系統中的關鍵部件，能夠和監視器、充電器、微處理器或微控制器協同工作。圖4是LTC3300-1應用于BMS系統的原理圖，電池組平衡器在系統中的作用是，針對某一個給定的失衡電池與相鄰的較大的電池組（其包含失衡電池）進行電荷轉移，以達到單電池和整個電池組的電壓或容量平衡。
圖4：LTC3300-1應用于BMS的原理圖（圖源：ADI）
在BMS系統中，LTC3300和LTC680x系列多單元電池堆棧監控器的無縫集成提供了高精度的電壓監視保護。高達92%的平衡效率讓LTC3300和具備相同平衡器功耗、效率僅為80%的方案相比，平衡電流可提升一倍多。
這種高效的平衡方式，延長了動力電池組的使用壽命，有助于實現更快的充電速度。從系統安全來看，更高效的電池平衡可以避免情況惡化。出現電芯電壓或能量不平衡時，如果不能快速解決，就容易進一步惡化為過充或者過放，這正是我們上述提到的濫用情況。
在潛在應用場景上，LTC3300除了適用于電動汽車或者插電式混合動力汽車（HEV）的BMS系統外，也可應用于通用型多節電池的電池組監測、大功率UPS/電網能量存儲系統等市場。
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ISL94216x
可精確監控的電池前端IC
上述內容中，我們多次提到了BMS在電動汽車中的重要作用，并介紹了一款可用于電動汽車BMS電池平衡的元器件。實際上，BMS系統在電動自行車領域也極為重要。頻發的事故讓電動自行車已經被禁止進入居民樓內，但是要杜絕此類事故，還是要從根本上提高各類型輕型電動車的電池安全。
接下來這款器件便可用于輕型電動車的BMS系統，它就是ISL94216x電池前端IC，來自制造商Renesas Electronics。工程師朋友通過在貿澤電子上搜索制造商器件編號ISL94216IRZ，就可以精準地找到它。
圖5：ISL94216x電池前端IC（圖源：Renesas Electronics）
圖6是ISL94216x電池前端IC的系統框圖，展現了該器件的集成特性。該器件支持I2C、SPI和單線協議棧，可在電池管理解決方案中連接MCU。
圖6：ISL94216x電池前端IC系統框圖（圖源：Renesas Electronics）
ISL94216x電池前端IC具備多項電池監測功能，能夠定期掃描電池狀態和工作環境，以優化電池壽命并防止災難性故障。該器件搭載的差分多路復用器和16位ADC可精確監控電池組整體狀態下的電池電壓、溫度和負載電流。同時，器件里的充電/負載喚醒檢測電路能夠動態獲取電池組的工作情況。
BMS系統的核心功能是監測和平衡。在電池平衡方面，ISL94216x電池前端IC具有內部電池平衡電路，可提供每節8mA平衡電流。因此，當應用于輕型電動車BMS系統時，該器件能夠提供多種操作模式和監測/保護功能。
在此額外強調一下ISL94216x電池前端IC的開路檢測功能，電路框圖如圖7所示，其中VC0-VC16檢查連接器和電池之間的導線（藍色），VSS和VBAT1 OW檢查紅色的連接，以此來判斷BMS和電池單元的連接是否斷開。
圖7：ISL94216x電池前端IC開路檢測功能（圖源：Renesas Electronics）
開路檢測是BMS自診斷中一項很重要的功能，一旦連接器和電池組斷開連接，BMS將不能繼續提供系統監測和調節功能，如果此時其他電路繼續工作，不僅會損害電池組，甚至會造成事故。
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將危險扼殺在萌芽期
從當前產業的技術現狀來看，鋰電池自身的風險性在未來很長一段時間內還將繼續存在，但產業界對此并非束手無策。從系統監測到電池平衡，各大廠商提供的電池保護元器件能夠將鋰電池的危險扼殺在萌芽期。
BMS系統的重要性已經得到了全行業的認可。面向未來，BMS需要更好的狀態估算技術、電池診斷技術、主動均衡技術，云化BMS也會成為必然的趨勢；在產品形態上，分布式管理讓BMS的功能更加清晰、分離，并借助集成技術融入到不同的域控制器中；再有，BMS將追求更先進的功能安全，做到電池全生命周期的安全管理；此外，低成本技術是未來BMS主要的實現方式。
當然，電子元器件是實現這一切的基石。而這些帶有出色保護性能的元器件，工程師朋友在貿澤電子的“電池管理”欄目下都能夠輕松獲取到，并且有豐富的開發工具與元器件相關聯，幫助工程師朋友把好鋰電池應用的“安全關”。
本文轉載自： 貿澤電子微信公眾號
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