電池監控器對多節電池的管理解析

工業類電池管理增長迅速，許多應用都會用到多節電池，為了對電池性能進行監控，就需要用到智能電池解決方案。日前，德州儀器(TI)針對這一應用市場推出了首批可擴展多節電池監控器bq76920、bq76930和bq76940，其不僅可大幅提升電池組的安全性，而且還可縮短12V~48V鋰離子電池及LiFePO4電池的設計時間，并能滿足電動自行車、電動工具、醫療設備以及能源存儲系統等應用的需求。

德州儀器高性能模擬半導體產品部電池管理產品市場及應用經理文司華博士介紹說，該系列產品是TI首批可擴展電池監控器，面向的是多節電池組的應用。bq76920、bq76930和bq76940分別針對3~5節、6~10節、9~15節串聯電池應用設計，可以在惡劣的充電條件和工作條件下最大限度地保證電池組的安全運行。

在應用案例方面，文司華指出，助踩式電動車(pedelec)在歐洲一些地方并不劃歸到電動車行列，而是劃歸到人力車當中。只要pedelec速度達到25km/h，其電動機就會停止。在爬坡和頂風騎車時車主可能會感覺吃力，這時它就能起到助力的效果。這類產品就廣泛應用了電池管理技術。

在電力系統的發輸變配各個環節，都可以有不同級別的儲能電站(ESS)系統(將風能、太陽能等輔助能源存儲在電池組里)并網至電網。ESS很多情況下都是集裝箱的形式，內部包含電池、電池控制、熱管理等。同時，它可以方便地移動至其他地區。

另外，電動叉車是由電池供電，其在起重、載重時要求放電速率要很大。電動工具的應用場景越來越大，產品形態也越來越多。

工業應用需要多種類型的電池，從應用上分，涵蓋了LEV(助踩式)、UPS和ESS、電動工具、設備(叉車)以及醫療設備。在電池組尺寸上，電池有單節、2至4節、5至16節以及大于16節之分。有的電池會更側重在寬泛的溫度范圍(-40℃~125℃)內安全工作，有的電池則會側重在更長的使用壽命、快速放電、低頻次放電或超過100V的工作電壓等場景。從化學成分上分，又包括鋰離子、LiFePO4、PbA鉛酸、NiMH和NiCd、超級電容等。

典型的智能電池架構如圖1所示，該電池包可以進行供電以及通信。BMS(電池管理系統)MCU可以寫入算法，提供智能化操作。從板級面積、成本控制以及一致性等考慮，電壓測量(電量均衡)、溫度測量、電流測量以及充電開關和放電開關的驅動都需要進行集成，即多節電池組的模擬前端(AFE)，而bq76920、bq76930和bq76940正是這樣的產品。

圖1：典型的智能電池架構。

圖1：典型的智能電池架構。

智能電池需要做到安全、測量(精確、全面測量電池狀況)、容量指示、健康指示(除電壓、電流外，還需要知道電池的使用壽命有多久)、電量均衡(多節電池串聯長期使用未做監控可能出現單節電池極性反轉，鋰電池不允許出現此類情況)、黑盒取證(電池失效返修提供最后十次所出現問題的保修證據)、選擇性連接/斷開(極度的工作條件下通過算法斷開與外部的連接)以及自適應性(根據不同的應用場景做算法優化)。

該系列產品內置ADC(14位ADC可測量電壓和溫度，16位“庫侖計數器”ADC可追蹤流過的電荷)與硬件保護功能。LDO(2.5V/3.3V可選)、電池均衡、MOSFET驅動等特性的集成能夠使板級空間銳減30%。一體化通用數字接口I2C能夠簡化設計。

此外，該系列可以和電量計/微控制器bq78xxx(還未量產，2014年下半年上市)搭配使用(圖2)。作為AFE產品，鋰離子監控器集成了所有參量的測量部分，再加上與TI標配的bq78xxx預編程配套微控制器結合使用，便形成了完整的turnkey解決方案。同時，bq78xxx提供了高靈活性、基于閃存的CEDV測量技術，幾乎可以替換任何微控制器。以往，單節電量計只能監控一節電池，并且需要復雜的運放前端將電池電壓降下來，而bq78xxx則可以通過bq769xx去監控每一節電池。

圖2：電池監控器bq76940與電量計/微控制器bq78xxx搭配使用。

圖2：電池監控器bq76940與電量計/微控制器bq78xxx搭配使用。