【導讀】鋰離子電池因其極具吸引力的性能和成本指標，目前已廣泛應用于各類便攜式設備中。然而，其必須具備精確的充放電控制才能保證安全；這就要求實施電池管理系統。
鋰離子電池因其極具吸引力的性能和成本指標，目前已廣泛應用于各類便攜式設備中。然而，其必須具備精確的充放電控制才能保證安全；這就要求實施電池管理系統。
本文將圍繞這一問題展開討論，并介紹一種既經濟高效又能為用戶帶來額外益處的集成解決方案，包括荷電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）監測等。
回顧歷史，曾被考慮用于電池的化學成分可謂五花八門，或許已有數百種之多——從意大利科學家Alessandro Volta于1800年左右發明的原始銅鋅紙板原電池，到常見的可充電鉛酸電池，再到能夠在90秒內為電動汽車充滿電的奇異（且仍為理論構想）“量子”電池。不過，目前鋰離子電池憑借在功率和能量水平上的廣泛適用性成為眾多應用領域的首選；能量范圍從典型手機中的10瓦時（Wh）到電動汽車中的數百千瓦時（kWh）不等。有時人們會擔心鋰資源的稀缺性；大眾汽車估算全球鋰儲量僅為1400萬噸，但該公司計算認為，即使按照2018年的消耗率，這些儲量仍可供人類使用150年以上。
圖1，部分電池化學成分對比
鋰離子電池的優勢
鋰離子電池預計將在未來一段時間內繼續占據市場主導地位，科學界和工程界正在不斷努力提升其性能，不僅是在容量方面，還有安全性——這始終是一個關鍵考量。鋰離子電池之所以備受歡迎，主要得益于其重量能量密度（Wh/kg）、體積能量密度（Wh/L）和成本的綜合優勢（見圖1）。這些是衡量電池商業價值的重要指標；但與其它類型的電池相比，鋰離子電池還具有更多優勢，如更長的使用壽命、較低的自放電率、低毒性以及帶來更大便利的高電芯電壓（約為3.8V）。
應對缺點
鋰離子電池的缺點或許已經因一些廣為人知的故障案例而廣為人知。首先，其充電電壓必須得到嚴格控制；充放電電流以及電芯溫度必須監測并限制在一定范圍內，且充電必須在電池容量達到或接近100%時終止。忽視這些規定可能會導致爆炸或火災。同時，為保證電芯的高可靠性和足夠的使用壽命，充電曲線應根據實際情況調整，以實現充滿電所需時間和低應力的最佳組合。
如圖2所示,通常的充電過程是以約1C的恒定電流進行;例如,對于1安時(Ah)的電池,充電電流為1A(圖中所示階段1),直到電芯達到約70%(點2)的容量,然后轉為恒定電壓充電(階段3)。在此條件下,電池電流逐漸下降,當電流值降至1C的3%-5%以下時(點4),充電終止。這是針對傳統鈷混合型鋰離子電池的充電方式。如前文所述,鋰離子電池的自放電率較低,不過有些方案會在檢測到電壓下降后,通過短時間的充電循環來"補足"電量。
圖2,典型的鋰離子電池充電過程
確定荷電狀態并非易事
檢測70%荷電狀態（SOC）點以觸發恒壓（充電）操作模式的轉換頗具挑戰性。可以通過瞬間斷開充電器并測量電池的開路電壓，然后將其與70%電量的預期值進行比較來近似估算。這種方法適用于可拆卸的電池模塊在充電器中插入使用的情況；但若電池內置于某一產品中進行充電，確保在測量“開路”電壓時沒有負載存在，從而真實反映SOC，則變得非常困難。在放電過程中，由于鋰離子電芯具有理想的特性；其在耗盡前保持相對平穩的放電電壓特性，因此電芯電壓并非衡量SOC的可靠指標。
另一種方法是通過庫侖計數或氣體計量法學習電池特性并估算SOC。如果可以測量一段時間內的電流，就可以計算出累積輸入和釋放的電荷量，進而推導出SOC。這取決于對初始荷電狀態的感知或記憶，而該狀態可能未知。為保證一定的準確性，應定期通過近乎完全放電的過程來進行重新校準。手機用戶對此現象并不陌生。此外，還需考慮容量隨溫度和老化程度變化而損失的因素。
了解電池健康狀態十分重要
了解電池健康狀態（SOH）或容量損失情況十分重要；因為隨著電池老化或處于低溫環境下，即使電量指示為100%，實際可運行時間也會減少。對于手持工具或便攜式電器而言，健康狀況不佳、運行時間縮短的電池或許只是帶來些許不便，但隨著鋰離子電芯被廣泛應用于更多移動設備和實用型應用中，系統對于SOH的感測可能成為一個安全問題。例如，人行道上的電動代步車電量突然耗盡對用戶而言是非常嚴重的問題；因此，實現“預測性維護”，在電池壽命結束前及時更換，極為關鍵。
與SOC一樣，電芯電壓并非衡量SOH的良好指標，但內阻可以作為一個指標，通過給定電流階躍下的電芯端壓降來計算得出。更準確的SOH計算會很快變得愈發復雜；其需要構建特定電池模型，并結合其預測壽命和與環境相關的老化情況。隨著時間的推移，生成模型所需的數據集會異常龐大，因此可能需要利用機器學習和神經網絡進行處理才能獲得準確得結果。
電池管理系統不可或缺
為確保安全與效率的最優化，需要電池管理系統（BMS）來控制充放電過程，同時以可接受的精度計算SOC和SOH。不過，運行環境可能非常惡劣且難以預測。鋰離子電池市場的一大部分面向手持工具與園林機械；如今已包括騎乘式割草機、鏈鋸和吹葉機/吹雪機。此外，電動自行車、電動滑板車等類似應用電池組電壓高達90V甚至更高。所有這些設備通常都工作于不受控環境中，會遭受沖擊/振動、污染、濕度和極端溫度的影響，且往往缺乏明確的維護計劃。
更高的電壓還帶來了潛在電擊和高能量放電的風險。與此同時，商業上的壓力要求電池及其管理系統盡可能小巧、輕便、低成本，同時保持最豐富的功能；還需要實現最低自放電和休眠模式，以便設備在長時間存放后仍能立即投入使用——甚至無線連接的需求也在不斷增長。對于采用大型電池組的高功率/高價值應用，可能還需要主動電芯平衡功能來確保各電芯荷電狀態均衡，從而最大化運行時間并最小化應力。
集成解決方案
為實現上述所有功能，一體化解決方案頗具吸引力。Qorvo已為該應用設計了產品，專注于其它供應商目前無法充分服務的更高電芯數量、更高電壓的系統。Qorvo的方法是利用現有電源應用控制器（PAC）IC系列中的技術；該系列采用ARM? Cortex?處理器——分別為時鐘頻率50MHz的M0內核和時鐘頻率150MHz的M4F內核，分別適用于低端和高端應用。M4F內核產品具有128kB閃存和32kB SRAM——存儲容量是M0內核版本的四倍，此外還有更多通用I/O引腳。兩者都具備SPI、UART和I2C/SMBus接口，而M4F版本還具有CAN接口。
首批推出的兩款BMS設備分別是搭載M0處理器的PAC22140和搭載M4F的PAC25140（圖3）。
圖3，Qorvo的PAC25140集成式BMS
兩種解決方案均針對20個電芯的系統進行了優化，并且可以支持低至10個電芯的系統，實現對單個電芯的監測和均衡。在高電流路徑中，它們為必要的外部保護MOSFET提供了柵極驅動，以便在過載或短路情況下根據需要實現充放電控制和切斷。兩種控制器均包含升壓轉換器，從而生成高于電池電壓值的柵極驅動電壓，讓高成本效益的N溝道MOSFET得以應用。此外，這些方案還具備以下特性：
采用完全可固件編程的行業標準ARM架構
通過TinyML[AC1]實現對人工智能（AI）和機器學習（ML）應用的支持（即將在1月份推出）
配備高分辨率ADC的模擬接口，用于測量電芯的電壓、電流和溫度
快速硬件關機，以避免處理器造成的任何延遲，并在故障條件下最大限度地減輕電池和BMS的壓力
每個電芯可以在1.8V到4.7V的范圍間工作，且不僅限于鋰離子電池
可編程的電芯欠壓和過壓監測
在5毫秒的ADC轉換時間內，以16位精度測量電芯電壓
電芯平衡由每個電芯的內部FET實現；FET灌電流可達50mA
在80V電壓下，休眠電流小于3μA，并具備多種定時或事件驅動的喚醒選項
這兩款器件的一個特點是差分電流檢測接口的可編程增益。這一功能可以根據應用需求進行定制，以優化信號水平及精度，例如在低電流值下使用高增益。在高電流應用中，以通過設置較低的增益來保持滿量程電壓在一定范圍內；或者等效地保持較高增益但使用更小的感應電阻以盡量減少耗散。典型的感應電阻值低于1毫歐，甚至可以通過PCB走線來形成等效電阻，并對測量值進行適當的溫度補償。
兩款器件均集成了完整的電源以支持整個系統，包括降壓和線性穩壓器，為低功耗藍牙?模塊等內部和外部輔助電源軌供電。
固件的靈活性
Qorvo的BMS組件內置了固件，可實現全面的充放電控制與監測，并配備電芯均衡及庫侖計數算法。不同于其它專有解決方案，用戶可以根據終端應用開發自己的固件；而且，ARM指令集對于許多開發人員來說已經非常熟悉。在簡單應用中，PAC22140器件功能綽綽有余，但PAC25140憑借更高的處理器速度和更大的內存，為實現更多功能、更深入的數據分析和故障記錄提供了可能。隨著對智能功能需求的增長，TinyML的支持可以提升用戶體驗，并且有可能隨著時間推移“學習”電池特性，以更好地預測SOC和SOH（此功能將于一月份推出）。
這兩款器件分別采用緊湊的9毫米 x 9毫米和10毫米 x 10毫米QFN封裝（圖4）；Qorvo提供全面支持，包括軟硬件開發套件、用于配置和監測的Windows圖形用戶界面（GUI），以及完整的文檔資料。
圖4，Qorvo PAC系列集成型電池管理IC示例
結論
如今，高性能的集成電池管理系統已經可以在功能、尺寸和價格上滿足大眾市場便攜式設備的需求，適用于最高達100V的鋰離子電池組。Qorvo組件的靈活性和可配置性尤其突出，使產品設計人員能夠添加獨具特色的差異化功能。敬請期待PAC系列更多版本的發布，以滿足更廣泛的應用需求。
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