可扩展电池监控器对多节电池进行智能管理

        工业类电池管理增长迅速，许多应用都会用到多节电池，为了对电池性能进行监控，就需要用到智能电池解决方案。日前，德州仪器（TI）针对这一应用市场推出了首批可扩展多节电池监控器bq76920、bq76930和bq76940，其不仅可大幅提升电池组的安全性，而且还可缩短12V~48V锂离子电池及LiFePO4电池的设计时间，并能满足电动自行车、电动工具、医疗设备以及能源存储系统等应用的需求。
德州仪器高性能模拟半导体产品部电池管理产品市场及应用经理文司华博士介绍说，该系列产品是TI首批可扩展电池监控器，面向的是多节电池组的应用。bq76920、bq76930和bq76940分别针对3~5节、6~10节、9~15节串联电池应用设计，可以在恶劣的充电条件和工作条件下最大限度地保证电池组的安全运行。
在应用案例方面，文司华指出，助踩式电动车（pedelec）在欧洲一些地方并不划归到电动车行列，而是划归到人力车当中。只要pedelec速度达到25km/h，其电动机就会停止。在爬坡和顶风骑车时车主可能会感觉吃力，这时它就能起到助力的效果。这类产品就广泛应用了电池管理技术。
在电力系统的发输变配各个环节，都可以有不同级别的储能电站（ESS）系统（将风能、太阳能等辅助能源存储在电池组里）并网至电网。ESS很多情况下都是集装箱的形式，内部包含电池、电池控制、热管理等。同时，它可以方便地移动至其他地区。
另外，电动叉车是由电池供电，其在起重、载重时要求放电速率要很大。电动工具的应用场景越来越大，产品形态也越来越多。
工业应用需要多种类型的电池，从应用上分，涵盖了LEV（助踩式）、UPS和ESS、电动工具、设备（叉车）以及医疗设备。在电池组尺寸上，电池有单节、2至4节、5至16节以及大于16节之分。有的电池会更侧重在宽泛的温度范围（-40℃~125℃）内安全工作，有的电池则会侧重在更长的使用寿命、快速放电、低频次放电或超过100V的工作电压等场景。从化学成分上分，又包括锂离子、LiFePO4、PbA铅酸、NiMH和NiCd、超级电容等。


       

典型的智能电池架构如图1所示，该电池包可以进行供电以及通信。BMS（电池管理系统） MCU可以写入算法，提供智能化操作。从板级面积、成本控制以及一致性等考虑，电压测量（电量均衡）、温度测量、电流测量以及充电开关和放电开关的驱动都需要进行集成，即多节电池组的模拟前端（AFE），而bq76920、bq76930和bq76940正是这样的产品。


图1：典型的智能电池架构。

智能电池需要做到安全、测量（精确、全面测量电池状况）、容量指示、健康指示（除电压、电流外，还需要知道电池的使用寿命有多久）、电量均衡（多节电池串联长期使用未做监控可能出现单节电池极性反转，锂电池不允许出现此类情况）、黑盒取证（电池失效返修提供最后十次所出现问题的保修证据）、选择性连接/断开（极度的工作条件下通过算法断开与外部的连接）以及自适应性（根据不同的应用场景做算法优化）。
该系列产品内置ADC（14位ADC可测量电压和温度，16位“库仑计数器”ADC可追踪流过的电荷）与硬件保护功能。LDO（2.5V/3.3V可选）、电池均衡、MOSFET驱动等特性的集成能够使板级空间锐减30%。一体化通用数字接口I2C能够简化设计。
此外，该系列可以和电量计/微控制器bq78xxx（还未量产，2014年下半年上市）搭配使用（图2）。作为AFE产品，锂离子监控器集成了所有参量的测量部分，再加上与TI标配的bq78xxx预编程配套微控制器结合使用，便形成了完整的turnkey解决方案。同时，bq78xxx提供了高灵活性、基于闪存的CEDV测量技术，几乎可以替换任何微控制器。以往，单节电量计只能监控一节电池，并且需要复杂的运放前端将电池电压降下来，而bq78xxx则可以通过bq769xx去监控每一节电池。


图2：电池监控器bq76940与电量计/微控制器bq78xxx搭配使用。