专题报道
返回首页
当前位置: CompoTech China > 专题 > 专题报道 >

电池串数不断攀升,怎能忽视 BMS?

时间:2018-03-15 08:13来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
电池管理系统 (BMS) 旨在控制负载环境、监测电池充电状态 (State of Charge, SOC),防止过度充电和电压波动而损坏电路;虽然应用回路只是整个供电系统的一部分,但若前端电池组的浪涌电流 (inrush current) 未经处理,恐会烧毁后端动力单元的高压金属氧化物半导体场效晶体管 (MOSFET)。有别于铅酸电池加水即可复原,锂电池还需"过放"保护,否则整组电池可能就此作废;锡安市场研究 (zion market research) 报告显示,2016年 全球 BMS 市值约 22.6 亿美元,预估 2017~2024 年复合成长率 (CAGR) 约 21.2%,届时终值将超过百亿美元。
 

图1:锡安市场研究 (zion market research) 预估全球BMS 市场2017~2024年复合成长率(CAGR)达21.2%
资料来源:
https://www.zionmarketresearch.com/report/battery-management-systems-market
 
锂电池慎防过充、遇热易燃
BMS 主要成长动能来自于电动车/电动自行车和便携式设备,电池驱动的大众交通需求增加亦将推升BMS 销售,而物联网(IoT)、数字化和云计算亦对各种不断电系统 (UPS) 有推波助澜之功。就区域观察,北美位居全球BMS领导地位,2017年市占率约有35%,日本、印度和中国是亚太地区先驱;受惠于安全法规的落实,中国、巴西和印度等经济体预料增幅显著。拉丁美洲的有限采用率亦是业界关注焦点之一,与此同时,缺乏能源汽车基础设施和政策的发展中经济体,可能对市场产生负面冲击。
 
锂电池因重量轻、能量和功率密度高、待机损耗低,是BMS主体且CAGR 料将持续上扬。本刊2016.11【专题报道】《设计安全电源,靠"量测"问诊曾探讨过:单串锂电池的正常工作电压约在3.2~4.2V,当游移在正、负电极间的离子遇上易燃的电解液,一旦过充、过热易引发爆炸。罗姆半导体 (Rohm) 即表明,锂电池须将温度控制在0~60℃,以免电池升温将电解液蒸发成气体,导致局部压力遽增、电池膨胀而烧毁隔离膜;遇零下冰点,则有结晶刺穿的危险。
 
便携设备偏好"分布式"拓扑,编程添灵活
从电路型态分析,BMS有分布式、集中式和模块化三种拓扑:分布式乃在每个单电池(Cell) 皆安装通讯控制板;集中式是以单一控制器、藉通讯线路管理每个单电池;模块化是部署多个控制器,每个控制器负责处理一定数量的单电池。据统计,随着个人移动装置(PMD) 普及,锂电池所引引发的火灾事故履见不鲜,2017年的年增率更高达 52%。新加坡国立大学能源研究与技术中心直言,多数智慧手机只有单串电池,但PMD 电池组可包含多达35串电池,基于安全起见,采用每个充电电池皆配备一个BMS 的"分布式"拓扑,可防止过度充电。
 

图2:分布式电池管理系统 (Distributed BMS)
资料来源:By H fiyouz - Own work, CC BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48682958
 
若系统商经由应用程序编程接口(API) 与主机连接、实时提供电池健康状况信息,用户便可了解在当前情境下,该如何调整作业方式或更换电池的时间点,以免设备损坏或意外降载而有碍正常运作。然须留意的是,劣质和非原装电池多缺乏良好的BMS、且无法停止充电,将大幅提升酿灾可能性;而经过认证的充电器会为电池提供正确的额定电流,是安全的第一道防线。作为BMS 智能核心,可用于故障检测、诊断服务、监控电池SOC、健康状况及性能的嵌入式软件,亦将呈现高成长。
 
意法半导体(ST)的STBC02 / STBC03 电池充电管理芯片,整合了线性电池充电器、150mA低静态线性稳压器(LDO)、两个单轴双切(SPDT,又称"单刀双掷") 开关和电池保护电路模块,以恒流/恒压(CC / CV) 算法为电池充电,快速充电和预充电电流可借助专用电阻器独立编程,电池浮动电压值亦可编程,有效为穿戴和 IoT装置缩减应用成本、板面积和设计时间。上述两款器件均设有充电器启用输入,可随时停止充电;万一输入引脚未连接到有效电源,将切换至电池模式、由连接的电池自动供电。STBC02 并具数字单线接口和智能重置/看门狗功能。
 
高功率动力倾向"模块化"架构,扩展更容易
虽然现今"分布式"市占最大,但以高效率和高可用性取胜的"模块化"架构渐获工业UPS、电动车/油电混合车(EV / HEV)、无人机和储能系统(ESS) 等高功率BMS 认同,用以管理一系列配置和电压。凌力尔特(Linear Technology,现并入亚德诺ADI旗下) 于2015年所发布的LTC6811 电池组监测器,可测量多达12串电池、堆栈架构能支持数百串电池就曾名噪一时;能个别控制脉宽调变(PWM) 的占空比(Duty Cycle),并直接以电池组或隔离式电源供电对每串电池的电荷做无源均衡,最大特点是误差仅 1.2mV,且可在290μs 内完成系统中所有电池的测量。
 

图3:LTC6811 适用于电动车/混合动力车、备用电池、电网储能系统和高功率设备
资料来源:
http://www.linear.com/solutions/6983
 
每个LTC6811 有一个 isoSPI 界面,用于实现高速、抗射频(RF) 干扰的远程通信,有两个版本——LTC6811-1 是将多个器件以菊链连接,且只要一根主处理器接线;LTC6811-2 是将多个器件并联连接至主处理器,对每个器件进行个别寻址。瑞萨电子(Renesas) 近期为工业设备(包括电动工具、电动自行车/电动马达自行车) 所使用的锂电池,首推两种新型电池管理IC 解决方案——RAJ240090 / RAJ240100,最多可支持10 串电池、50V 电压与超低功耗模式,电流消耗可低至 25μA,即使系统断电、电池监控功能仍可继续工作。
 
两者皆集成 RL78 MCU,将剩余容量测量和过压/过流安全监控功能整合到一个封装中,模数转换器(ADC) 和 MCU已经过匹配和调整。除了内建安全功能并提供设计工具,还包括工业应用所需电源、场效晶体管(FET) 驱动器和实时频率等外设,可简化BMS设计。另一方面,"电池间的均衡"——单电池均等充电、使电池组中各个电池达到平衡一致,是业界正致力研究的一项BMS 关键技术,期能降低成本,并提高汽车、航空航天等大型动力系统和电网储能应用的效率,传统上有有源(active) 与无源(passive) 两种。
 
高转换效率+低待机功耗之外,"有源式电池均衡"受瞩目
微芯科技 (Microchip) 指出便携式应用为维持电池寿命,须同时满足高转换效率和低待机功耗——电池组需要降压 (Buck) 转换,单电池通常需要升压 (Boost) 转换,以利于电池放电时保持一致的电力水平;部分产品需要针对控制器、传感器或 RF 讯号处理做额定电压调整,部分电路需要针对背光或电池充电调整额定电流。对于广泛的输入电压范围和高输出电流应用,"交换式电源转换器"较线性稳压器更可显著提高效率,进而延长便携式应用的电池使用时间,而降压转换器用于调整永远低于输入电压的输出电压。
 

图4:Microchip 提供多种小封装尺寸、高效率、低待机功耗、高准确度且多功能的 BMS 解决方案,因应便携式电源转换挑战
 
使用"电感/电容"存储能量,可使降压转换器的效率达 90%、甚至 95% 以上。Microchip 提供多种降压转换器和 PWM 控制器:转换器整合功率型 MOSFET 开关,可提供一定的电流输出,而控制器是依赖外部功率型 MOSFET 及高速二极管来切换转换器的电流。Microchip 说明,同步型转换器依靠两个 MOSFET 同时运作控制电流方向,异步型转换器是以高速飞轮功率二极管取代其中一个 MOSFET;同步型转换器可为低输出电压 (尤其是低于3.3V时) 提供更高的效率,而异步型转换器适用于较高的输出电压。
 
德州仪器 (TI) 近期则率先整合最新汽车电池管理监视器和保护器 bq76PL455A-Q1 与双向 DC-DC 电池均衡器,推出全球首款 16 通道有源电池均衡参考设计 TIDA-00817,为大容量电池组提供高性能电池管理解决方案,允许 16 串电池输入之任何一个按需充、放电,有 2~5A 的电流值余裕,且完全隔离传输到外部 12V 电源/电池,模块可被堆栈达 1300V。不可讳言,现阶段由于有源均衡器的单元成本仍居高不下,意味着拥有逾千个 Cell 的大型电池组的成本动辄上看"5位数"美元!因此,无源均衡器即使损耗高,但仍是目前主流。
 

图5:电动车 BMS 提供充电状态 (SOC) 与电池健康状态信息,包括:充放电控制、电池单元均衡、无源/有源保护
资料来源:
https://training.ti.com/demonstration-16-channel-active-cell-balance-solution
 
折衷方案异军突起,"双电平均衡器"投石问路
一言以蔽之,BMS 功能包括:检测电量、电路保护、电池均衡等,若 BMS 读数不精确,也会牵动电池充电速率和储能系统效率。特别一提,近来开始出现兼采有源、无源之长,利用"双电平均衡器"(bi-level equalizer) 平衡电池组中的电压与无源电路,此专利技术能的亮点在于:为弱电池提升电量,而非迫使"有能者"牺牲小我、拉低自身水平,以成全其他电池达成均质性;更重要的是,其能量消耗仅约无源均衡器的 1/4、且成本不高,可提高电量或缩短电网储能系统的充电时间,现已授权电池管理系统制造商、以及电池组和车辆制造商。
 
美国托莱多大学 (University of Toledo) 的研究人员已开发一组包括 MCU 和连接硬件的改装套件,可将现有 BMS 转换为双电平,改善固有有源/无源均衡缺点以延长电池组寿命 (参照本期《"库仑计数"独立芯片精准解析瞬间电量冲击》一文)。此外,罗姆半导体表示,电池外形与制作工艺也会左右均衡:理论上圆形较佳,有利于电解作用、释放电能且利于散热;而工艺是全自动生产或须辅以手工涂布,皆会影响成品一致性。当电子应用越来越广、电池串数越来越多,而能源却越发珍贵,BMS 的发展脚步日益动见观瞻。

 

(责任编辑:jane)
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名:密码: 验证码:点击我更换图片