【導讀】鋰離子技術已成為電池供電設備的動力來源，與其他化學電池相比，鋰離子電池具有很多優勢。但是，該技術也有缺點，那就是必須進行妥善管理，以確保它們安全地充電和放電。本博客文章將探索鋰離子技術的發展歷史與挑戰，并介紹用于控制運行時間、靈活性和安全性的智能電池系統管理解決方案。
鋰離子技術已成為電池供電設備的動力來源，與其他化學電池相比，鋰離子電池具有很多優勢。但是，該技術也有缺點，那就是必須進行妥善管理，以確保它們安全地充電和放電。本博客文章將探索鋰離子技術的發展歷史與挑戰，并介紹用于控制運行時間、靈活性和安全性的智能電池系統管理解決方案。
在各種可充電工具、手持設備和電動交通工具中，鋰離子電池十分常見。在這些及許多其他應用中，鋰離子電池與其他化學電池相比，存在很多優勢。但請注意，要想鋰離子電池安全可靠且壽命長，必須避開充放電模式方面的一些陷阱。本博客文章將探討相關挑戰并確定理想的解決方案。我們還將介紹一種新的集成式智能電池管理單芯片解決方案，該解決方案提供獨特功能和先進的控制能夠，能夠更大限度地提高運行時間、靈活性和安全性。
電池技術已有 200 多年發展歷史，并會繼續發展下去
電池早在 1800 年左右就已出現，當時意大利物理學家亞歷山德羅·伏特通過用浸泡了鹽水的紙板分隔銅片和鋅片，發明了 “伏打電堆”。但是，這種 “原電池” 性能下降迅速，而且無法充電。又過了 59 年，采用鉛酸結構的可充電電池（也稱為 “蓄電池”）問世。從那時開始，電池技術開始不斷發展，現如今帶來了能夠長時間通話的手機、強大的無繩手持工具和電動汽車 (EV)。從電動自行車到電動跑車，它們都具有相當不錯的續航里程。 立法也是一個驅動因素。例如，最早到 2024 年，加利福尼亞州可能會禁止銷售以天然氣為燃料的園林機械，無繩電動版本是唯一合理的替代方案。
鋰離子電池是現代設備的首選化學電池
在可充電移動應用中，為了獲得出色的整體性能，鋰離子電池現在是最受歡迎的電池類型。為什么？因為鋰離子電池使用壽命長、儲能重量比高，而且要比鉛酸電池更加經濟高效。鋰離子電池還具備其他有用的特性，比如沒有 “記憶” 效應、自放電小，并且單個 3.8 V 的電池就能夠為許多設計供電。
不過，該技術也有缺點。鋰離子電池必須受到妥善保護，防止發生電壓過高、充放電電流過大、深度放電，以及電池溫度過高。如果不能滿足這些標準，可能會發生爆炸或火災。下方圖 1 顯示了安培小時 (Ah) 級電池的理想安全充電模式。
如圖所示，鋰離子電池的典型充電過程包含多個階段：
1. 采用 “1C” 大小的恒定電流，將電池電量充至大約 70%。
2. 電池電壓達到 4.2 V，充電器切換至恒壓模式。
3. 然后，隨著電池達到飽和，電流不斷減小。
4. 對于傳統含鈷鋰電池，當電流降至電池 Ah 額定值的 3%-5% 時，便表示鋰離子電池已充滿電。達到該閾值后，充電過程會終止，以避免電池發生性能退化。
圖 1. 鋰離子電池充電模式
如果因為自放電而導致電壓降至另一個閾值電壓以下，電池可能會進入 “循環充電” 階段來重新開始充電，并會對電池溫度進行持續監測，以檢測任何熱應力。
安全性至關重要，但了解容量和健康狀況也同樣重要
管理電池充放電時，安全性是首要考慮因素。由于鋰離子電池通常用于高度不受控的環境，比如花園和家庭工作間，因此保護方法必須穩定可靠。此外，工具或機器應能在寒冷冬季閑置時，盡可能地保留電量，并在用戶需要再次使用時，能夠隨時準備好以最大功率安全地投入使用。
對于騎乘式割草機等需要更高功率的應用，產品設計人員提高了電池電壓，以擴展電池容量和運行時間，同時保持電流可控。現在，串聯多達 20 個電池來產生 90 V 或更高電壓的情況十分常見。一旦出現故障，這增加了電擊、電壓擊穿和高能釋放的相關風險。此外，串聯意味著，整個電池組的運行時間和壽命取決于最弱的電池。針對這一情況，任何充電系統都應該確保充電模式能夠平衡每個電池上的應力，即通過某種方式強制實現各個電池電量相等。
另一個重要關注點是精確了解電池的剩余電量 (SOC) 或 “電量”。當無繩電鉆仍顯示有電，卻意外停止工作時，這只會給使用者帶來一點小麻煩。但是，如果是電動高爾夫球車或騎乘式割草機在球道中間意外停止，問題就會比較嚴重。SOC 指示頗具挑戰性，因為電池電壓并不是一個很好的衡量指標，它取決于溫度和剩余電量。
鋰離子電池的其中一個出色特性是，放電電壓會一直保持相對平穩，直到電量耗盡，但這對于作為指示并沒有幫助。解決方案是測量實際充入和消耗的電量，也就是所謂的 “庫侖計量”。但是，正如手機用戶所熟悉的，該技術可能會失去校準，因此建議偶爾對電池進行完全放電，以 “重置” 計算。
健康狀況 (SOH) 也是一個有用的衡量指標。隨著時間推移，以及充電/放電循環次數增加，鋰離子電池的容量會減少。這就意味著，100% 電量指示所代表的容量和運行時間會逐漸減少。同樣，電池電壓也不是 SOH 的一個很好的衡量指標，但內阻可作為一個指標，它根據電壓隨負載階躍的變化推斷而來。
通過集成電池管理，增加功能并提升價值
考慮到鋰離子電池充電控制和監測要求的復雜性，集成式智能電池管理系統 (BMS) 是一個頗具吸引力的解決方案。該系統可以實現為經濟高效的緊湊型 IC，其中混合采用模擬與數字技術，并包括處理器、內存和接口。憑借這種計算能力，該 IC 能夠添加先進的功能和特性。這類先進功能示例包括電池健康狀況測定、電池平衡控制、精確庫侖計量、歷史數據記錄等。另外，該 IC 還可以整合有線與無線通信功能。在互聯的世界里，人們對通信功能的需求會不斷增長。
集成式 BMS 可以包含多個處理器內核，以處理各種不同的應用，其中熱門選擇是時鐘頻率為 50 MHz 的 Arm Cortex M0 或速度更快的 150 MHz M4F。M4F 搭載 128 kB 閃存和 32 kB SRAM，是 M0 的四倍，并配備更多通用 I/O 引腳，同時其浮點處理技術有助于執行高級算法。這兩種內核都提供 UART（通用異步接收器/發射器）、SPI（串行外設接口）和 I2C/SMBus 接口，M4F 還具備 CAN（控制器局域網絡）。
設計人員可能對 ARM? 器件及其編程工具比較熟悉，除了用于通用功能的任何已有嵌入式固件，這些器件還支持進行定制。例如，可在 SRAM 中記錄故障事件以進行診斷，或者可生成數據表以分析充電/放電性能，并實現 SOH 預測性維護。
集成式 BMS 需要模擬接口，其中包括以適當 ADC（模數轉換器）分辨率和精度進行電池電流、溫度與單個電池電壓監測，并且能夠監測多達 20 個電池，以實現廣泛的適用性。為了確保安全性和效率，該器件應具備電流和故障檢測功能，以便觸發快速硬件關斷，從而防止電池或 BMS 出現延遲和產生應力。電流檢測接口可以具備可編程增益，以便準確地測量較寬范圍的電池電流，并使用毫歐級低值檢測電阻，以盡可能地減少損耗并縮小尺寸。
BMS 通常使用外部背對背功率 MOSFET 來控制充電電流，并在發生過載或短路的必要情況下中斷放電電流。出于系統通信和其他系統考量，最好將 MOSFET 置于正電壓軌或 “高側” 上。這意味著，如果使用常見的 N 溝道 MOSFET，柵極驅動器電壓必須高于充電器或電池的電源電壓。不過，帶有電荷泵電路的集成式 BMS 中可以滿足該要求。同樣，BMS IC 可以包含降壓和線性穩壓器，以產生內部和外部輔助電源軌。
例如，適用于低功耗藍牙模塊的 3.3 V 應用，在該應用中，管理系統必須包含所有這些功能，但仍具有低功耗。即使在終端設備關閉后存放時，BMS 也需要處于休眠模式，并提供基本的電池電壓監測。在該狀態下，電流消耗應該不超過幾微安，以避免電池過度放電。
實施 BMS 解決方案的簡單方法
Qorvo 電源應用控制器系列中的單芯片集成式解決方案提供鋰離子電池管理系統需要具備的上述所有功能。首先上市的是 PAC22140 和 PAC25140 兩款器件，它們分別采用 Arm M0 和 M4F 內核。這些器件支持多達 20 個具有相關高壓驅動和監測額定值的電池。隨附固件可以實現全面的充放電控制和監測，另外還借助算法實現了庫侖計量和 50 mA 電池平衡功能。Qorvo 為這些器件提供全方位的支持，其中包括軟硬件開發套件、用于配置和監測的 Windows GUI 以及完整文檔。
(來源：Qorvo半導體)
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