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德州儀器：以前電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車還是以鉛酸電池為主，去年大家可能留意到一個(gè)新聞，江浙70-80%鉛酸電池廠都被關(guān)閉，因?yàn)殂U酸電池環(huán)境污染引起了政府高度重視，所以接下來(lái)在電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車方面使用鋰電池的概率會(huì)越來(lái)越高。 今天先介紹基于電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車方面的基本應(yīng)用方案。嚴(yán)格來(lái)講，動(dòng)力電池行業(yè)目前還沒有非常標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，電池本身都還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以我們的方案相對(duì)來(lái)說(shuō)比較多，以滿足不同的需求。對(duì)于電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具，我們芯片主要是四大類： 第一， 模擬前端芯片。模擬前端就是把所有電芯的信息、溫度、電壓以及電流信號(hào)全部采集回來(lái)，送到中央處理器，通過軟件控制實(shí)現(xiàn)整體控制 （警告，保護(hù)，均衡…）。 第二， 獨(dú)立工作的的全功能保護(hù)芯片。此類型片實(shí)時(shí)監(jiān)控電池系統(tǒng)的電壓，電流，溫度等狀態(tài)，一旦出現(xiàn)可能引起對(duì)電池?fù)p壞或者爆炸的危險(xiǎn)狀態(tài)，保護(hù)芯片將會(huì)切斷整個(gè)電流回路。 第三， 二級(jí)保護(hù)芯片。電池最危險(xiǎn)的情況有兩種：一種是充電的時(shí)候，充電電壓過高引起電池的損壞或爆炸；另一種是短路，短路不僅對(duì)電池本身造成危害，還對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)造成損害。為了避免在上面所述的全功能保護(hù)芯片故障時(shí)，電池系統(tǒng)在嚴(yán)重故障下發(fā)生損壞或爆炸，往往會(huì)在系統(tǒng)中加入一個(gè)冗余的二級(jí)保護(hù)，專門在最危險(xiǎn)的條件下切斷系統(tǒng)電流回路。目前最常用的二級(jí)保護(hù)芯片組要是針對(duì)過電壓保護(hù)。 第四， 電池電量計(jì)芯片。如果你留意iPhone或者筆記本的電池，里面有一個(gè)功能就是告訴你現(xiàn)在電池還剩百分之多少的容量，還能用多久，這個(gè)叫做計(jì)量芯片。 在電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車有一部分產(chǎn)品提出了這個(gè)要求，其實(shí)對(duì)計(jì)量功能，很多人有一個(gè)誤解，認(rèn)為計(jì)量功能是可有可無(wú)的。那我們看看為什么一定要準(zhǔn)確知道這個(gè)剩余容量呢？答案如下： 第一，一個(gè)精確的計(jì)量能夠給你的客戶很好的使用體驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)算出電池還能夠用多久，這樣就可以避免在使用過程中突然發(fā)生關(guān)機(jī)，導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失； 第二，準(zhǔn)確的計(jì)量可以使你的電池可用容量增加，計(jì)量芯片本身不會(huì)增加電池的容量，但是電池所有的保護(hù)設(shè)定都有安全余度，如果沒有計(jì)量芯片， 安全余度就不得不設(shè)得比較高。你看輕載的時(shí)候，電池的放電平臺(tái)比較高，如果是重載的時(shí)候，這個(gè)電壓平臺(tái)會(huì)急劇下降。以前的保護(hù)原理，一般都是以電壓為主，電壓低于某一種閾值的時(shí)候，就認(rèn)為電池已經(jīng)放空了，就需要把這個(gè)電池切斷，但是實(shí)際上我們?cè)谂袛嗟臅r(shí)候無(wú)法判斷是重載還是輕載，電池是新電池還是舊電池，所以我們不得不預(yù)留較大的安全裕度。如果芯片能夠準(zhǔn)確的告訴你，我們還剩多少容量，這樣的話就可以用容量來(lái)判斷你什么時(shí)候應(yīng)該切斷回路，這樣你就可以不用預(yù)留過大的安全裕度，就可以增加你的電池的可用容量。 接下來(lái)我們先講一下保護(hù)芯片，德州儀器提供從2串一直到192串保護(hù)芯片，這又分為全功能保護(hù)芯片和二級(jí)保護(hù)芯片。2到4串，基本上是平板電腦的應(yīng)用范圍，3到 6串主要是應(yīng)用工具的范圍，6到16串主要是電動(dòng)自行車還有UPS的使用范圍。 這里所示的二級(jí)保護(hù)芯片能提供過電壓冗余保護(hù)。BQ294XX主要用于平板電腦與筆記本電腦。獨(dú)立的BQ77PL157可以用于3~6節(jié)電芯，通過級(jí)聯(lián)，BQ77PL157可以支持最多18節(jié)電芯，可用于從電動(dòng)工具到UPS, E-Bike等領(lǐng)域。 全功能保護(hù)芯片，我們這里介紹的方案主要是針對(duì)4串到16串的應(yīng)用。BQ77908適用于4-8串的應(yīng)用，BQ77910是做4-10串，但是 BQ77908和BQ77910可以級(jí)聯(lián)起來(lái)，可以支持最高到18節(jié)電芯。以前的電動(dòng)自行車主要是7-10串，現(xiàn)在新的是36V電動(dòng)自行車可能是 12-13串，對(duì)于8串和10串來(lái)說(shuō)，BQ77908和BQ77910是目前在市場(chǎng)上最具性價(jià)比的管理芯片。但是BQ77908和BQ77910當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)候做了一個(gè)CHGST管腳，用于充電器的識(shí)別。但是在中國(guó)所有的充電器都是2個(gè)頭，不會(huì)有3個(gè)頭，所以這個(gè)地方加一個(gè)簡(jiǎn)單的外部電路，也可以模擬這樣的充電器識(shí)別功能。 從功能上面講，BQ77908和BQ77910能夠提供所有完善保護(hù)功能： 過壓，過流、過溫保護(hù)。過流保護(hù)又分為充電過流保護(hù)，放電過流保護(hù)，再加上短路保護(hù)，所有的保護(hù)功能都可以通過EEPROM進(jìn)行設(shè)定。BQ77908和 BQ77910是獨(dú)立工作的芯片，本身具有一個(gè)I2C接口，但是這個(gè)接口主要用于對(duì)EEPROM編程,這是BQ77908和BQ77910有很大的一個(gè)特點(diǎn)。大家可能用過精工的產(chǎn)品，精工的產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)都是定死的，比如說(shuō)過電壓保護(hù)的閾值是4.2伏，這是定死的，客戶是不能修改的，這樣就減少了靈活性，而BQ77908和BQ77910可以任意去設(shè)定這個(gè)值，就變得很靈活。第二個(gè)特點(diǎn)是BQ77908和BQ77910所控制的兩個(gè)MOS管 （分別用于充電和放電回路的控制），既可以并聯(lián)也可以串聯(lián)。 為什么要并聯(lián)呢？如果這兩個(gè)MOS管串聯(lián)的話，這個(gè)回路里面，電流都會(huì)流經(jīng)這兩個(gè)MOS管，功耗就會(huì)比較大；如果說(shuō)外部應(yīng)用允許把充放電回路的接口分開的話，采用MOS管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)電池充電時(shí)，充電電流就不會(huì)流過放電控制MOS管，當(dāng)電池放電時(shí)，放電電流也不用流經(jīng)充電MOS管，功耗就會(huì)大大降低，從而達(dá)到節(jié)省成本和減少方案的目的。 BQ77908和BQ77910內(nèi)部集成了50毫安的均衡電流回路,除此以外，因?yàn)樵陔妱?dòng)自行車?yán)锩妫覀冞B接線比較多，有可能會(huì)發(fā)生斷線，這里所指的斷線不是指電池之間， 大電流回路里的連接點(diǎn)的斷路，而是指電池采樣信號(hào)線輸入到芯片的連接點(diǎn)，這個(gè)地方有很多時(shí)候是通過插口過來(lái)的，有可能在振動(dòng)過程中就會(huì)松脫，BQ77908和BQ77910可以通過內(nèi)部電路自動(dòng)識(shí)別連接線斷開的故障。 BQ77908和BQ77910也可以通過一些簡(jiǎn)單外部電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)的功能，從而支持10~18節(jié)電芯的串聯(lián)。此外，BQ77908和 BQ77910自身的功耗很低。其高性價(jià)比已得到很多客戶的認(rèn)可。 模擬前端芯片不能獨(dú)立工作，必須跟MCU相配合，TI提供兩種顆芯片：BQ77PL900、BQ76925。900是針對(duì)電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)，支持5~10 串，BQ76925主要是針對(duì)電動(dòng)工具設(shè)計(jì)，它支持3-6串，BQ76925工作架構(gòu)必須跟MCU相配合，它的功能是把電壓、電流、溫度全部采集進(jìn)來(lái)，采集進(jìn)來(lái)以后通過模擬電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成一個(gè)精確的模擬信號(hào)傳遞到MCU，通過AD轉(zhuǎn)換從而使系統(tǒng)識(shí)別到所有的電池參數(shù)，并通過內(nèi)部控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)的充放電控制MOS管的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)安全控制。這里面有幾個(gè)要點(diǎn)要注意，首先我們電壓采樣回來(lái)的精度如果不準(zhǔn)將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題，一是保護(hù)的點(diǎn)可能是不那么準(zhǔn)；二是如果系統(tǒng)還需要對(duì)電池做精密的計(jì)量，沒有準(zhǔn)確的電壓和電流信號(hào)是不可能完成的。特別是我們現(xiàn)在看到磷酸鐵鋰電池應(yīng)用得比較多，磷酸鐵鋰電池最大的特點(diǎn)是放電的平臺(tái)非常的平緩，這就可能由于很小的電壓誤差（比如說(shuō)5mv）導(dǎo)致較大的容量誤差（比如10-20%），因此我們電壓電流采樣的精度要高。常溫下，BQ76925能夠提共小于正負(fù)3mv以內(nèi)的電壓采樣誤差，全溫度范圍內(nèi)可以做到5mv以內(nèi)，而且溫漂非常的低。 剛才龔總提到過均衡的問題，對(duì)于大功率的應(yīng)用大家要求比較高，但對(duì)于電動(dòng)工具等應(yīng)用，由于成本壓力，一般采用被動(dòng)均衡，BQ76925內(nèi)部集成50毫安均衡回路，能夠滿足常規(guī)的應(yīng)用，而且外部元件很少，性價(jià)比比較高。 由于MCU需要通過軟件對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行控制，大家知道軟件兩個(gè)問題：可靠性的問題，運(yùn)行速度比較慢。一旦發(fā)生短路,希望電池保護(hù)系統(tǒng)在200us之內(nèi)切斷電流的時(shí)候，可能AD轉(zhuǎn)換都還沒有完成，如果我們完全不采用任何其他輔助功能，它的可靠性就大大降低了，所以BQ76925增加了一個(gè)內(nèi)部報(bào)警信號(hào)，當(dāng)電流超過一定限值的時(shí)候 （你可以預(yù)先設(shè)定這個(gè)閾值），就發(fā)出一個(gè)告警信號(hào)，使你的MCU進(jìn)入中斷，迅速進(jìn)入過流處理的程序，及時(shí)完成對(duì)充放電MOS管的操作，安全性就得到了保障。因?yàn)榭蛻艨赡懿捎貌煌腗CU，其AD轉(zhuǎn)換的最高輸入電壓有的是5V，有的是2.5V，因此BQ76925提供兩檔電芯電壓轉(zhuǎn)換比例，0.3和 0.6。BQ76925可以支持最低到1moH的電流檢測(cè)電阻，可以支持到100A安以上的電流，完全滿足電動(dòng)工具的需求。BQ76925的通訊口是 I2C。BQ76925本身功耗比較低，正常工作是40個(gè)uA，目前這個(gè)芯片已經(jīng)被一些大客戶采用。 德州儀器是一個(gè)半導(dǎo)體公司，我們的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，除了電池管理芯片以外，我們?cè)贛CU，電源，信號(hào)處理方面都都有很完善的方案。在電動(dòng)汽車電池方面，我們能夠給大家提供一些什么樣的產(chǎn)品呢？首先，所有你需要用到芯片， MCU,POWER, 隔離芯片…都可以提供給你。第二，能夠提供業(yè)界最高精度的方案，目前我們可以做到1mV的精度。下面我們會(huì)詳細(xì)介紹方案，TI是唯一在ISO26262的標(biāo)準(zhǔn)組織里面擁有專家的芯片公司，我們所有芯片設(shè)計(jì)都是基于ISO26262 D 的標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)完成，而且TI也是目前在鋰電池管理行業(yè)里最具經(jīng)驗(yàn)的芯片公司。去年TI完成了對(duì)國(guó)家半導(dǎo)體收購(gòu)，國(guó)家半導(dǎo)體有一項(xiàng)很好的技術(shù)，就是主動(dòng)均衡，等一會(huì)兒我跟大家做一點(diǎn)點(diǎn)探討，主動(dòng)均衡到底有什么用處。 |
