不断发展的电池管理系统

充分发挥先进锂电池组的潜力

发布于2024-09-23

随着移动设备、工具和工业设备电气化趋势的不断发展，锂电池系统正日益向着容量更大、电压更高的方向发展。虽然更多的电池单元和更高的电压非常有利于提高移动性和生产率，但这也意味着电池管理系统（BMS）技术也需要与时俱进，才能适应这样的趋势。此外，新型电气化装置和设备还具有更高的复杂性、成本和安全要求，因而BMS还必须具备更强大的功能和特性，以增强通信功能、电量测量、电池平衡和续航时间，并且适应各种锂电池化学成分。

锂电池是一种储能装置，它使用化学物质储存电能，这些化学物质封闭在具有正极（阴极）和负极（阳极）的电池单元中。锂离子电池采用具有层状晶体结构的材料制造，其中锂离子可在层间迁移，这种材料称为插层化合物。在锂离子电池的放电循环中，锂离子从阳极迁移到阴极，这一过程促使电子以相反的方向从阴极移动到阳极，从而在电池端子和电负载之间实现能量转移。锂电池端子的电压和输出电流取决于迁移的锂离子数量。当电压开始下降时，电流也会减小，因为可迁移的锂离子数量也减少了。

锂电池的充电循环则与之相反。在锂电池的端子上施加电压，会使锂离子在电解液中逆向迁移，并重新嵌入负极。现代锂电池的阴极可由多种不同的插层化合物制成，最常见的有锂离子（li-ion）、锂离子聚合物（LiPo）和磷酸铁锂（LiFePO4），而负极通常为石墨。科研人员仍在不断地尝试和努力，利用各种阳极、阴极和电解质材料以及先进技术开发出性能更高的电池。

锂电池具有非常高的反应性，因而有必要在充电和放电过程中监控电池的温度、电流和电压变化情况。如果没有适当的电池监测和控制，那么即便使用“更安全”或更稳定的锂化合物制造锂电池，也仍然可能发生热失控。这种失控可能会损坏电池电极或外壳、导致不受控制的化学反应，使电池起火甚至爆炸。

许多锂电池系统都由多个锂电池单元组成，这些单元串联可以实现更高的电压，而并联则可以输出更大的电流。由于制造公差、老化不一致以及其他诸多影响因素的缘故，不同锂电池单元的电压和电流存在差异，因而可能会导致多种性能下降或电池损坏情况。例如，如果一个电池单元与其他电池单元串联或并联，但它的性能不符合规格，那么这个电池单元就可能会变成消耗电流的负载，降低电池组的性能，并可能导致其他电池单元的电压降至低于安全阈值。

为了解决这种差异导致的问题，电池平衡技术应运而生，这项技术对于由多个单元组成的锂电池组而言非常重要。实际应用中，通常会将电池监测、控制和平衡功能集成到一个系统中，这就是电池管理系统（BMS）。随着锂电池技术持续发展并得到越来越广泛的应用，BMS技术也在不断进步，以确保锂电池系统具有更高的安全性、性能和使用寿命（图1）。

图1：用于锂电池技术的电池管理系统（BMS）示意简图。（图源：Qorvo）

一百多年以来，对于许多需要动力驱动的园林工具、建筑工具、车辆和工业设备而言，汽油和有线供电系统一直占据着市场主导地位。然而，随着锂电池技术不断发展，采用电池作为电源的电动设备得到了越来越广泛的应用，从车辆、动力设备到日常必需品，都出现了电池供电的产品，例如电动割草机、电动鼓风机、电锯、SDS电钻、电动踏板车、电动自行车、电动摩托车、电动混凝土锯和便携式电焊机等。这些电池供电系统通常采用20V、40V、60V和80V电压，更高电压的系统也有望受到更多的欢迎。

想要成功制造出电池供电工具和车辆系统，就必然要实现更高的性能，因而为这些设备供电的锂电池系统需要具备更高的电压、容量和电流。锂电池的电压是有限制的，提高电压的唯一方法就是串联更多电池单元。从锂电池中汲取过多电流，或者向锂电池中注入过多电流，都会导致电池损坏和灾难性故障，而提高输入/输出电流的方法，就是增加并联锂电池的数量。因此，要提高锂电池系统的整体容量，就需要串联和/或并联更多电池单元，或采用容量更大的锂电池。

锂电池系统的开发，推动了电池供电系统在电动汽车（EV）、备用供电、自主移动机器人等各种应用领域中的性能，因而BMS技术也必须与时俱进，才能适应新领域对电池系统的电压、容量和输入/输出电流提出的更高要求。

Qorvo的智能BMS（PAC22140/PAC25140）集成了微控制器 (MCU) 和电池平衡技术（图2），是简单BMS的自然发展——简单BMS只负责监控电池的温度和电压，在它们达到不可接受的阈值时关闭充电。这些新型BMS芯片可监控10S至20S锂离子、锂聚合物和磷酸铁锂电池组，涵盖了各种常见的锂电池技术。Qorvo的新型BMS包括可通过闪存编程的MCU（Arm^® Cortex^®-M0），具有电源管理和电流/电压/温度检测功能，配备充放电FET驱动电路和保险丝。此外，这些智能BMS还内置了UART/SPI和I²C/SMBus，部分器件还具备CAN通信功能。

图2：Qorvo智能BMS具有丰富功能，包括集成微控制器（MCU）和电池平衡。（图源：Qorvo）

要采用一款新型BMS芯片，对其进行评估并熟悉其编程和控制方面的知识是一件非常重要的事情。Qorvo为这些芯片提供了评估套件（PAC22140EVK1和PAC225140EVK1）。

这些评估套件是用于评估新型智能BMS器件的完整硬件解决方案。它们还可以访问智能BMS器件的所有信号以及为MCU和内部外设供电所需的所有电路，因而也可以用于开发解决方案（图3）。

图3：使用Qorvo PAC22140EVK1评估套件为10S锂电池组开发智能BMS。（图源：Qorvo）

锂电池供电系统持续普及，实用性不断提高，这推动了锂电池向着电压更高、容量和电流更大的方向发展。串联的电池单元越来越多，用户对性能的要求也越来越高，因而这些新系统必须采用新型智能BMS技术实现妥善管理和电池平衡。Qorvo新型智能BMS技术有助于开发新一代BMS解决方案，通过更高效的电池平衡、监控和保护功能来增强现有的锂电池技术。

信息交流服务部负责人：Jean-Jacques DeLisle
Jean-Jacques (JJ) DeLisle就读于罗切斯特理工学院（RIT），并获得了电气工程学士学位和硕士学位。在学习期间，JJ从事射频/微波研究，为大学杂志撰稿，并且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担任了Synaptics公司的集成电路布局和自动化测试设计工程师。经过6年开发和鉴定内置同轴天线和无线传感器技术的原创性研究，JJ在提交了多篇技术论文并获得一项美国专利后离开了RIT。

为了进一步发展他的事业，JJ和妻子Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担任了《Microwaves & RF》（微波与射频）杂志的技术工程编辑。在此期间，JJ学会了如何将他的射频工程技能以及技术写作热情结合起来。

在JJ职业生涯的下一个阶段，他看到业界对有技术能力的作家和客观的行业专家有很大的需求，于是转而创办了自己的公司RFEMX。在朝着这个目标前进的同时，JJ扩大了自己公司的业务范围和愿景，开始从事信息交换服务（IXS）业务。