【導(dǎo)讀】在電動(dòng)化趨勢(shì)帶動(dòng)下，汽車(chē)正發(fā)生著翻天覆地的變化，核心三大件由燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和變速箱變成了電動(dòng)汽車(chē)的“三電系統(tǒng)”——電驅(qū)、電池、電控。根據(jù)車(chē)企公布的成本數(shù)據(jù)，電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)中成本占比最高的部件，接近總成本的40%。
一方面，電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)“壞不起”。在電動(dòng)汽車(chē)的維修項(xiàng)目中，一旦和電池系統(tǒng)掛鉤，維修成本將驟增。算上維修系統(tǒng)的零部件溢價(jià)，一旦電池系統(tǒng)出問(wèn)題，往往需要花費(fèi)整車(chē)價(jià)近六成的成本進(jìn)行維修。另一方面，偶發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)自燃事故證明，電動(dòng)汽車(chē)電池爆燃具備更大的破壞力，且留給駕乘人員的逃生時(shí)間更短。因此，保障電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的共同目標(biāo)。
實(shí)際上，從手機(jī)和電動(dòng)自行車(chē)發(fā)生爆燃事故開(kāi)始，公眾和產(chǎn)業(yè)界就開(kāi)始重視鋰電池的安全問(wèn)題，只是在汽車(chē)領(lǐng)域，安全的概念得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)。這篇文章，我們就來(lái)具體解讀一下鋰電池的安全防護(hù)，并為大家推薦貿(mào)澤電子分銷的能夠保障電池安全的元器件。
關(guān)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(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。鋰電池充電時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，放電時(shí)則將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行能量釋放。而鋰電池一旦儲(chǔ)存了能量，不可控的能量釋放就會(huì)引起爆燃。由于智能手機(jī)、電動(dòng)自動(dòng)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)都在追求長(zhǎng)續(xù)航，電池系統(tǒng)的高能量密度已成為一種產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，但這其實(shí)進(jìn)一步增加了爆燃的破壞力。
當(dāng)然，鋰電池最終的破壞力呈現(xiàn)是通過(guò)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(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。何種情況會(huì)造成鋰電池?zé)崾Э啬兀啃袠I(yè)將這些情況統(tǒng)稱為濫用條件。
通過(guò)查看中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT31485-2015《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及實(shí)驗(yàn)方法》后發(fā)現(xiàn)，濫用條件包括過(guò)放、過(guò)充、內(nèi)外短路、擠壓和跌落等。
以電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)為例，其一般由電芯、BMS（電池管理系統(tǒng)）、結(jié)構(gòu)件（箱體、導(dǎo)線、接插件等）和熱管理系統(tǒng)組成。
電芯就是單節(jié)的鋰離子電池，由正極片、負(fù)極片、隔膜、電解液和結(jié)構(gòu)件組成。很多動(dòng)力電池系統(tǒng)事故，比如自燃，都是由電芯內(nèi)短路引起的。發(fā)生內(nèi)短路之后，電芯溫度會(huì)快速上升。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，電芯內(nèi)保護(hù)負(fù)極活性物質(zhì)的隔膜便會(huì)消失，導(dǎo)致負(fù)極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，這是后續(xù)電池內(nèi)部產(chǎn)生一系列放熱副反應(yīng)的第一步。然后大量熱量和可燃?xì)怏w釋放，最終造成系統(tǒng)爆燃。
此外，還有兩種會(huì)引起電池系統(tǒng)發(fā)生爆燃的濫用情況是高溫和過(guò)充，其中高溫也包括由于過(guò)放和外短路造成的系統(tǒng)溫度快速上升，而這些都是BMS系統(tǒng)監(jiān)控的重點(diǎn)。BMS負(fù)責(zé)監(jiān)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(dāng)這些指標(biāo)發(fā)生異變后，電池便會(huì)進(jìn)入濫用條件，如果不能及時(shí)制止，便會(huì)造成爆燃事故。
電動(dòng)汽車(chē)對(duì)高性能BMS有迫切的需求。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)也對(duì)BMS產(chǎn)品有積極的帶動(dòng)作用。
根據(jù)QYReaserch的分析數(shù)據(jù)，2020年全球汽車(chē)BMS市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了217億元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到885億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為26.19%。
BMS被很多業(yè)者稱之為“電池保姆”或者“電池管家”，其主要作用是智能化動(dòng)態(tài)管理，以及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。在電池管理方面，BMS能夠準(zhǔn)確獲取動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)（State of Charge，即SOC），保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池造成損傷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池組中某些電池的電壓或者容量過(guò)高/過(guò)低時(shí)，BMS具備在單體電池間進(jìn)行均衡的能力，這是防止電芯進(jìn)入濫用情況的關(guān)鍵一環(huán)，既延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命，又杜絕了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為快充提供了安全穩(wěn)定的運(yùn)行條件。
總結(jié)而言，在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，BMS系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
● 準(zhǔn)確獲取動(dòng)力電池組SOC，并通過(guò)系統(tǒng)算法將SOC維持在合理區(qū)間；
● 對(duì)電池組和電芯進(jìn)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(hù)功能，包括過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、短路保護(hù)等；
● 借助通信總線和整車(chē)系統(tǒng)做信息交互。
除了在BMS和電池材料等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域做創(chuàng)新外，為了促進(jìn)鋰電池的安全使用，政策端也在加緊頒布相關(guān)條例，力圖對(duì)產(chǎn)業(yè)起到正確的引導(dǎo)作用。
LTC3300
適用于電動(dòng)汽車(chē)的多節(jié)電池平衡器
在上面的分析中，我們以汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)為例，解讀了哪些濫用情況會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池組的爆燃風(fēng)險(xiǎn)，并提到了BMS系統(tǒng)在動(dòng)力電池系統(tǒng)安全層面起的重要作用。接下來(lái)，我們要介紹的第一款產(chǎn)品便是能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)BMS系統(tǒng)的LTC3300多節(jié)電池平衡器。該產(chǎn)品由制造商ADI供應(yīng)，貿(mào)澤電子上該產(chǎn)品的供應(yīng)商產(chǎn)品編號(hào)為L(zhǎng)TC3300HLXE-2#WPBF。
LTC3300雙向多節(jié)電池平衡器是一款故障保護(hù)控制器IC，適用于對(duì)多節(jié)電池的電池組進(jìn)行基于變壓器的雙向主動(dòng)電荷平衡。通過(guò)圖1可以看到，LTC3300具備豐富的管腳功能，在器件內(nèi)部集成了各種相關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電路、高精度電池傳感、故障檢測(cè)電路和一個(gè)帶內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器的堅(jiān)固型串行接口。
圖1：LTC3300引腳配置（圖源：ADI）
圖2是LTC3300的典型應(yīng)用框圖，該器件可利用一個(gè)高達(dá)36V的輸入共模電壓對(duì)多達(dá)6節(jié)串聯(lián)連接的電池進(jìn)行電荷平衡，解決了單向平衡在電池組中電池電壓很低時(shí)的低效問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)串串接電池中每節(jié)電池的電荷平衡。盡可能縮短平衡時(shí)間并降低功耗。通過(guò)外部設(shè)置，平衡電流可達(dá)10A。
圖2：LTC3300典型應(yīng)用框圖（圖源：ADI）
同時(shí)，LTC3300具備行業(yè)領(lǐng)先的可擴(kuò)展性，借助其電平轉(zhuǎn)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(gè)LTC3300-1器件的串聯(lián)連接，可堆疊支持1000V以上的系統(tǒng)。并且串聯(lián)連接的LTC3300-1可以同時(shí)工作，因此能夠?qū)﹄姵亟M中的所有電池同時(shí)獨(dú)立地進(jìn)行電荷平衡。此外，LTC3300還能夠與LTC680x系列多單元電池堆棧監(jiān)控器無(wú)縫集成。
如圖3所示，LTC3300具備高達(dá)92%的平衡器效率。
圖3：LTC3300的實(shí)測(cè)效率（圖源：ADI）
全面出色的保護(hù)性能是LTC3300器件的一大亮點(diǎn)，能夠提供各種故障保護(hù)特性，包括回讀能力、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）錯(cuò)誤檢測(cè)、最大導(dǎo)通時(shí)間伏特-秒鉗位和過(guò)壓關(guān)斷。
當(dāng)應(yīng)用于串接式鋰離子電池的BMS系統(tǒng)時(shí)，LTC3300-1組成的電池組平衡器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，能夠和監(jiān)視器、充電器、微處理器或微控制器協(xié)同工作。圖4是LTC3300-1應(yīng)用于BMS系統(tǒng)的原理圖，電池組平衡器在系統(tǒng)中的作用是，針對(duì)某一個(gè)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(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，以達(dá)到單電池和整個(gè)電池組的電壓或容量平衡。
圖4：LTC3300-1應(yīng)用于BMS的原理圖（圖源：ADI）
在BMS系統(tǒng)中，LTC3300和LTC680x系列多單元電池堆棧監(jiān)控器的無(wú)縫集成提供了高精度的電壓監(jiān)視保護(hù)。高達(dá)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(zhǎng)了動(dòng)力電池組的使用壽命，有助于實(shí)現(xiàn)更快的充電速度。從系統(tǒng)安全來(lái)看，更高效的電池平衡可以避免情況惡化。出現(xiàn)電芯電壓或能量不平衡時(shí)，如果不能快速解決，就容易進(jìn)一步惡化為過(guò)充或者過(guò)放，這正是我們上述提到的濫用情況。
在潛在應(yīng)用場(chǎng)景上，LTC3300除了適用于電動(dòng)汽車(chē)或者插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）的BMS系統(tǒng)外，也可應(yīng)用于通用型多節(jié)電池的電池組監(jiān)測(cè)、大功率UPS/電網(wǎng)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)等市場(chǎng)。
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ISL94216x
可精確監(jiān)控的電池前端IC
上述內(nèi)容中，我們多次提到了BMS在電動(dòng)汽車(chē)中的重要作用，并介紹了一款可用于電動(dòng)汽車(chē)BMS電池平衡的元器件。實(shí)際上，BMS系統(tǒng)在電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域也極為重要。頻發(fā)的事故讓電動(dòng)自行車(chē)已經(jīng)被禁止進(jìn)入居民樓內(nèi)，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(dòng)車(chē)的電池安全。
接下來(lái)這款器件便可用于輕型電動(dòng)車(chē)的BMS系統(tǒng)，它就是ISL94216x電池前端IC，來(lái)自制造商Renesas Electronics。工程師朋友通過(guò)在貿(mào)澤電子上搜索制造商器件編號(hào)ISL94216IRZ，就可以精準(zhǔn)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(tǒng)框圖，展現(xiàn)了該器件的集成特性。該器件支持I2C、SPI和單線協(xié)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(tǒng)框圖（圖源：Renesas Electronics）
ISL94216x電池前端IC具備多項(xiàng)電池監(jiān)測(cè)功能，能夠定期掃描電池狀態(tài)和工作環(huán)境，以優(yōu)化電池壽命并防止災(zāi)難性故障。該器件搭載的差分多路復(fù)用器和16位ADC可精確監(jiān)控電池組整體狀態(tài)下的電池電壓、溫度和負(fù)載電流。同時(shí)，器件里的充電/負(fù)載喚醒檢測(cè)電路能夠動(dòng)態(tài)獲取電池組的工作情況。
BMS系統(tǒng)的核心功能是監(jiān)測(cè)和平衡。在電池平衡方面，ISL94216x電池前端IC具有內(nèi)部電池平衡電路，可提供每節(jié)8mA平衡電流。因此，當(dāng)應(yīng)用于輕型電動(dòng)車(chē)BMS系統(tǒng)時(shí)，該器件能夠提供多種操作模式和監(jiān)測(cè)/保護(hù)功能。
在此額外強(qiáng)調(diào)一下ISL94216x電池前端IC的開(kāi)路檢測(cè)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(dǎo)線（藍(lán)色），VSS和VBAT1 OW檢查紅色的連接，以此來(lái)判斷BMS和電池單元的連接是否斷開(kāi)。
圖7：ISL94216x電池前端IC開(kāi)路檢測(cè)功能（圖源：Renesas Electronics）
開(kāi)路檢測(cè)是BMS自診斷中一項(xiàng)很重要的功能，一旦連接器和電池組斷開(kāi)連接，BMS將不能繼續(xù)提供系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)功能，如果此時(shí)其他電路繼續(xù)工作，不僅會(huì)損害電池組，甚至?xí)斐墒鹿省?/p>
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將危險(xiǎn)扼殺在萌芽期
從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，鋰電池自身的風(fēng)險(xiǎn)性在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將繼續(xù)存在，但產(chǎn)業(yè)界對(duì)此并非束手無(wú)策。從系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電池平衡，各大廠商提供的電池保護(hù)元器件能夠?qū)囯姵氐奈ｋU(xiǎn)扼殺在萌芽期。
BMS系統(tǒng)的重要性已經(jīng)得到了全行業(yè)的認(rèn)可。面向未來(lái)，BMS需要更好的狀態(tài)估算技術(shù)、電池診斷技術(shù)、主動(dòng)均衡技術(shù)，云化BMS也會(huì)成為必然的趨勢(shì)；在產(chǎn)品形態(tài)上，分布式管理讓BMS的功能更加清晰、分離，并借助集成技術(shù)融入到不同的域控制器中；再有，BMS將追求更先進(jìn)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(shù)是未來(lái)BMS主要的實(shí)現(xiàn)方式。
當(dāng)然，電子元器件是實(shí)現(xiàn)這一切的基石。而這些帶有出色保護(hù)性能的元器件，工程師朋友在貿(mào)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(kāi)發(fā)工具與元器件相關(guān)聯(lián)，幫助工程師朋友把好鋰電池應(yīng)用的“安全關(guān)”。
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