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德州儀器：以前電動工具，電動自行車還是以鉛酸電池為主，去年大家可能留意到一個新聞，江浙70-80%鉛酸電池廠都被關閉，因為鉛酸電池環(huán)境污染引起了政府高度重視，所以接下來在電動工具，電動自行車方面使用鋰電池的概率會越來越高。 今天先介紹基于電動工具、電動自行車方面的基本應用方案。嚴格來講，動力電池行業(yè)目前還沒有非常標準化的產(chǎn)品，電池本身都還沒有一個標準，所以我們的方案相對來說比較多，以滿足不同的需求。對于電動自行車和電動工具，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、電壓以及電流信號全部采集回來，送到中央處理器，通過軟件控制實現(xiàn)整體控制 （警告，保護，均衡…）。 第二， 獨立工作的的全功能保護芯片。此類型片實時監(jiān)控電池系統(tǒng)的電壓，電流，溫度等狀態(tài)，一旦出現(xiàn)可能引起對電池損壞或者爆炸的危險狀態(tài)，保護芯片將會切斷整個電流回路。 第三， 二級保護芯片。電池最危險的情況有兩種：一種是充電的時候，充電電壓過高引起電池的損壞或爆炸；另一種是短路，短路不僅對電池本身造成危害，還對整個電池系統(tǒng)造成損害。為了避免在上面所述的全功能保護芯片故障時，電池系統(tǒng)在嚴重故障下發(fā)生損壞或爆炸，往往會在系統(tǒng)中加入一個冗余的二級保護，專門在最危險的條件下切斷系統(tǒng)電流回路。目前最常用的二級保護芯片組要是針對過電壓保護。 第四， 電池電量計芯片。如果你留意iPhone或者筆記本的電池，里面有一個功能就是告訴你現(xiàn)在電池還剩百分之多少的容量，還能用多久，這個叫做計量芯片。 在電動工具和電動自行車有一部分產(chǎn)品提出了這個要求，其實對計量功能，很多人有一個誤解，認為計量功能是可有可無的。那我們看看為什么一定要準確知道這個剩余容量呢？答案如下： 第一，一個精確的計量能夠給你的客戶很好的使用體驗，能夠準確測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)生關機，導致重要數(shù)據(jù)丟失； 第二，準確的計量可以使你的電池可用容量增加，計量芯片本身不會增加電池的容量，但是電池所有的保護設定都有安全余度，如果沒有計量芯片， 安全余度就不得不設得比較高。你看輕載的時候，電池的放電平臺比較高，如果是重載的時候，這個電壓平臺會急劇下降。以前的保護原理，一般都是以電壓為主，電壓低于某一種閾值的時候，就認為電池已經(jīng)放空了，就需要把這個電池切斷，但是實際上我們在判斷的時候無法判斷是重載還是輕載，電池是新電池還是舊電池，所以我們不得不預留較大的安全裕度。如果芯片能夠準確的告訴你，我們還剩多少容量，這樣的話就可以用容量來判斷你什么時候應該切斷回路，這樣你就可以不用預留過大的安全裕度，就可以增加你的電池的可用容量。 接下來我們先講一下保護芯片，德州儀器提供從2串一直到192串保護芯片，這又分為全功能保護芯片和二級保護芯片。2到4串，基本上是平板電腦的應用范圍，3到 6串主要是應用工具的范圍，6到16串主要是電動自行車還有UPS的使用范圍。 這里所示的二級保護芯片能提供過電壓冗余保護。BQ294XX主要用于平板電腦與筆記本電腦。獨立的BQ77PL157可以用于3~6節(jié)電芯，通過級聯(lián)，BQ77PL157可以支持最多18節(jié)電芯，可用于從電動工具到UPS, E-Bike等領域。 全功能保護芯片，我們這里介紹的方案主要是針對4串到16串的應用。BQ77908適用于4-8串的應用，BQ77910是做4-10串，但是 BQ77908和BQ77910可以級聯(lián)起來，可以支持最高到18節(jié)電芯。以前的電動自行車主要是7-10串，現(xiàn)在新的是36V電動自行車可能是 12-13串，對于8串和10串來說，BQ77908和BQ77910是目前在市場上最具性價比的管理芯片。但是BQ77908和BQ77910當時設計的時候做了一個CHGST管腳，用于充電器的識別。但是在中國所有的充電器都是2個頭，不會有3個頭，所以這個地方加一個簡單的外部電路，也可以模擬這樣的充電器識別功能。 從功能上面講，BQ77908和BQ77910能夠提供所有完善保護功能： 過壓，過流、過溫保護。過流保護又分為充電過流保護，放電過流保護，再加上短路保護，所有的保護功能都可以通過EEPROM進行設定。BQ77908和 BQ77910是獨立工作的芯片，本身具有一個I2C接口，但是這個接口主要用于對EEPROM編程,這是BQ77908和BQ77910有很大的一個特點。大家可能用過精工的產(chǎn)品，精工的產(chǎn)品的各項參數(shù)都是定死的，比如說過電壓保護的閾值是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可以任意去設定這個值，就變得很靈活。第二個特點是BQ77908和BQ77910所控制的兩個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MOS管串聯(lián)的話，這個回路里面，電流都會流經(jīng)這兩個MOS管，功耗就會比較大；如果說外部應用允許把充放電回路的接口分開的話，采用MOS管并聯(lián)結構，當電池充電時，充電電流就不會流過放電控制MOS管，當電池放電時，放電電流也不用流經(jīng)充電MOS管，功耗就會大大降低，從而達到節(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，因為在電動自行車里面，我們連接線比較多，有可能會發(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的斷路，而是指電池采樣信號線輸入到芯片的連接點，這個地方有很多時候是通過插口過來的，有可能在振動過程中就會松脫，BQ77908和BQ77910可以通過內(nèi)部電路自動識別連接線斷開的故障。 BQ77908和BQ77910也可以通過一些簡單外部電平轉換電路實現(xiàn)級聯(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。其高性價比已得到很多客戶的認可。 模擬前端芯片不能獨立工作，必須跟MCU相配合，TI提供兩種顆芯片：BQ77PL900、BQ76925。900是針對電動自行車設計，支持5~10 串，BQ76925主要是針對電動工具設計，它支持3-6串，BQ76925工作架構必須跟MCU相配合，它的功能是把電壓、電流、溫度全部采集進來，采集進來以后通過模擬電壓轉換，轉換成一個精確的模擬信號傳遞到MCU，通過AD轉換從而使系統(tǒng)識別到所有的電池參數(shù)，并通過內(nèi)部控制軟件實現(xiàn)對電池內(nèi)的充放電控制MOS管的控制來實現(xiàn)安全控制。這里面有幾個要點要注意，首先我們電壓采樣回來的精度如果不準將會導致兩個問題，一是保護的點可能是不那么準；二是如果系統(tǒng)還需要對電池做精密的計量，沒有準確的電壓和電流信號是不可能完成的。特別是我們現(xiàn)在看到磷酸鐵鋰電池應用得比較多，磷酸鐵鋰電池最大的特點是放電的平臺非常的平緩，這就可能由于很小的電壓誤差（比如說5mv）導致較大的容量誤差（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，對于大功率的應用大家要求比較高，但對于電動工具等應用，由于成本壓力，一般采用被動均衡，BQ76925內(nèi)部集成50毫安均衡回路，能夠滿足常規(guī)的應用，而且外部元件很少，性價比比較高。 由于MCU需要通過軟件對電池系統(tǒng)進行控制，大家知道軟件兩個問題：可靠性的問題，運行速度比較慢。一旦發(fā)生短路,希望電池保護系統(tǒng)在200us之內(nèi)切斷電流的時候，可能AD轉換都還沒有完成，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增加了一個內(nèi)部報警信號，當電流超過一定限值的時候 （你可以預先設定這個閾值），就發(fā)出一個告警信號，使你的MCU進入中斷，迅速進入過流處理的程序，及時完成對充放電MOS管的操作，安全性就得到了保障。因為客戶可能采用不同的MCU，其AD轉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換比例，0.3和 0.6。BQ76925可以支持最低到1moH的電流檢測電阻，可以支持到100A安以上的電流，完全滿足電動工具的需求。BQ76925的通訊口是 I2C。BQ76925本身功耗比較低，正常工作是40個uA，目前這個芯片已經(jīng)被一些大客戶采用。 德州儀器是一個半導體公司，我們的產(chǎn)品廣泛應用于各種領域，除了電池管理芯片以外，我們在MCU，電源，信號處理方面都都有很完善的方案。在電動汽車電池方面，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。下面我們會詳細介紹方案，TI是唯一在ISO26262的標準組織里面擁有專家的芯片公司，我們所有芯片設計都是基于ISO26262 D 的標準要求來完成，而且TI也是目前在鋰電池管理行業(yè)里最具經(jīng)驗的芯片公司。去年TI完成了對國家半導體收購，國家半導體有一項很好的技術，就是主動均衡，等一會兒我跟大家做一點點探討，主動均衡到底有什么用處。 |
