昨日已經(jīng)為大家講解恩智浦基于ISO26262標(biāo)準(zhǔn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腂MS整體方案，同時(shí)還有意法半導(dǎo)體面向車載信息娛樂(lè)、音視頻多媒體播放、整合高速CAN功能的電源管理IC，凌力爾特最新高度精準(zhǔn)的電池組監(jiān)視器+SmartMesh? 無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組合的無(wú)線BMS系統(tǒng)。目前，電池管理系統(tǒng)主要發(fā)展趨勢(shì)，除了監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)參數(shù)以外，還應(yīng)具有精準(zhǔn)估算電池荷電狀態(tài)（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）、通訊、電池故障診斷、電池組均衡控制、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)人機(jī)界面等方面的功能。BMS通過(guò)與整車控制器通訊，能達(dá)到優(yōu)化駕駛，防止過(guò)度放電；與充電機(jī)結(jié)合能夠優(yōu)化充電。電池管理系統(tǒng)也正向著集成化、低能耗、智能化、高可靠性方向發(fā)展。

微芯科技（Microchip）電源管理解決方案

系統(tǒng)負(fù)載均衡+鋰電池充電管理的高集成單芯片MCP73871

在通常的電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)采用的方法是將系統(tǒng)負(fù)載與電池直接連接。系統(tǒng)負(fù)載會(huì)使鋰離子電池不斷放電，從而縮短了電池生命周期。Microchip 的 MCP73871 旨在克服鋰離子電池供電應(yīng)用的這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。MCP73871 是一款尺寸緊湊且功能豐富的單芯片解決方案。該器件非常適合用于設(shè)計(jì)小型系統(tǒng)，同時(shí)還可以延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和電池壽命。

MCP73871 典型應(yīng)用

MCP73871 器件是一款用于系統(tǒng)負(fù)載均衡和鋰離子/鋰聚合物電池充電管理的完全集成線性解決方案，可以選擇交流/直流墻式適配器或 USB 端口電源。此外，它還可以在輸入電源和電池之間進(jìn)行自主電源選擇。該器件不僅物理體積小而且需要的外部元件少，因此非常適合于便攜式應(yīng)用。MCP73871 器件可以自動(dòng)從單節(jié)鋰離子電池或輸入電源（交流/直流墻式適配器或 USB 端口）獲取系統(tǒng)負(fù)載的電源。MCP73871 器件完全遵從 USB 規(guī)范規(guī)定的電流消耗限制。使用交流/直流墻式適配器為系統(tǒng)供電時(shí)，外部電阻將設(shè)置最大幅值為 1A 的充電電流，同時(shí)支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電電流之和最高為 1.8A 的總電流。

MCP73871 器件采用恒流/恒壓（CC/CV）充電算法，具有可選的充電終止點(diǎn)。提供 4 種固定的恒壓穩(wěn)壓選項(xiàng)：4.10V、4.20V、4.35V 或 4.40V，以適應(yīng)新興的電池充電需求。在高功耗或高環(huán)境溫度條件下，MCP73871 器件還可以基于裸片溫度限制充電電流。這種熱調(diào)節(jié)功能可以優(yōu)化充電周期時(shí)間，同時(shí)還可以保持器件的可靠性。

MCP73871 器件包含了一個(gè)電池低電量指示器、一個(gè)電源正常指示器和兩個(gè)充電狀態(tài)指示器，可以使用 LED 進(jìn)行顯示或與主控單片機(jī)進(jìn)行通信。MCP73871 器件支持 -40°C 至 +85°C 的環(huán)境溫度范圍。

此外，微芯開發(fā)的MCP73871 評(píng)估板，幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員采用頗受歡迎的 Microchip 帶系統(tǒng)負(fù)載均衡功能的分立式鋰離子電池充電管理控制器來(lái)簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。

MCP73871 的系統(tǒng)電源通路管理應(yīng)用

MCP73871 評(píng)估板能實(shí)現(xiàn)如Microchip 的分立式線性鋰離子電池充電器的系統(tǒng)電源通路和負(fù)載均衡管理控制的解決方案。當(dāng)斷開輸入電源時(shí)，鋰離子電池也能給系統(tǒng)負(fù)載供電。

MCP73871 評(píng)估板實(shí)現(xiàn)功能

支持USB應(yīng)用的8位低成本PIC單片機(jī)

針對(duì)電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，微芯推出系列的智能充電管理控制器，如適用于便攜充電應(yīng)用的MCP73871，8 位閃芯、支持USB便攜應(yīng)用的PIC16F1xxx系列單片機(jī)（如PIC16F1933）。PIC18F1XK50 MCU系列提供USB主機(jī)監(jiān)控功能，能在PIC單片機(jī)與USB沒(méi)有連接時(shí)設(shè)定“休眠”模式或其他電源管理模式，從而進(jìn)一步減少能耗。目前，微芯提供成本最低的USB單片機(jī)，包含業(yè)界最全面的8位、16位及32位USB單片機(jī)產(chǎn)品線，所有PIC單片機(jī)提供單一集成的開發(fā)環(huán)境MPLAB? IDE支持。

MCP73871 充電管理控制器（評(píng)估板）

目前成本最低、支持USB應(yīng)用的8位PIC單片機(jī)——PIC18F14K50

微芯充電管理系列部分產(chǎn)品示例

英飛凌（Infineon）主動(dòng)均衡解決方案

英飛凌的主動(dòng)平衡解決方案是針對(duì)鋰電充放電進(jìn)行主動(dòng)均衡處理的智能型方案。該方案采用特制變壓器來(lái)將電池單體中的能量轉(zhuǎn)移到電池包中，或者在各個(gè)電池包中轉(zhuǎn)移，可以幫助提高能源效率，減少電池單體不一致而產(chǎn)生的問(wèn)題，并將電池使用時(shí)間提高至少10%，對(duì)降低整個(gè)電池系統(tǒng)的成本起到極大作用。

目前，應(yīng)用在主動(dòng)均衡上的做法，主要有基于電容均衡、電感均衡、DC-DC均衡等幾種方式。

基于電容的的均衡在電路失效的時(shí)候不會(huì)造成電池的過(guò)放，不過(guò)主動(dòng)均衡電容充當(dāng)電量搬用工，需要超級(jí)電容。超級(jí)電容的成本也很高，耐壓卻不高。容易出現(xiàn)老化，損壞等問(wèn)題。 超級(jí)電容的壽命也存在問(wèn)題。另外這種方式均衡的時(shí)候，電壓壓差越小均衡效率越低。可靠性無(wú)法保證。

基于電感的均衡存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)， 就是均衡開關(guān)打開的時(shí)候出現(xiàn)死機(jī)或者意外控制型號(hào)失靈的狀態(tài)，會(huì)引起大電流損壞電路。可靠性無(wú)法保證。

下面介紹由英飛凌公司基于變壓器的主動(dòng)均衡方案（互感充放電）。

目前，主動(dòng)均衡的做法有很多，但均需要一個(gè)用于轉(zhuǎn)移能量的存儲(chǔ)元件。如果用電容來(lái)做存儲(chǔ)元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關(guān)陣列。更有效的方法是將能量存儲(chǔ)在一個(gè)磁場(chǎng)中。該電路中的關(guān)鍵元件是一個(gè)變壓器。

其中，英飛凌設(shè)計(jì)的變壓器能在電池單元之間轉(zhuǎn)移能量，并將多個(gè)單獨(dú)的電池單元電壓復(fù)接至一個(gè)基于地電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸入端。變壓器實(shí)用模型支持多達(dá) 12 個(gè)電池單元，開關(guān)則采用低導(dǎo)通電阻 OptiMOS3 系列 MOSFET。

電池管理模塊原理圖

上圖每個(gè)模塊都受英飛凌公司的 8 位先進(jìn)微控制器 XC886CLM 控制。這種微控制器自帶閃存程序和一個(gè)32KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此外，微控制器還有兩個(gè)基于硬件的CAN接口，支持通過(guò)公共汽車控制器局域網(wǎng)（CAN）總線協(xié)議與下面的處理器負(fù)載通信，包含一個(gè)基于硬件的乘除法單元，可用于加快計(jì)算過(guò)程。

由于變壓器可以雙向工作，所以可以根據(jù)不同情況采取不同的均衡方法。在對(duì)所有電池單元進(jìn)行電壓掃描之后（電壓掃描的細(xì)節(jié)將在后面介紹），計(jì)算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法（bottom-balancing），如果其電壓高于平均值，就采用頂部平衡法（top-balancing）。

底部平衡法：當(dāng)對(duì)所有電池單元掃描后，發(fā)現(xiàn)某個(gè)電池是最弱單元（比如電池2），則必須對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，此時(shí)閉合主開關(guān)（“prim”），電池組開始對(duì)變壓器充電。主開關(guān)斷開后，變壓器存儲(chǔ)的能量就可以轉(zhuǎn)移至選定的電池單元。相應(yīng)的次級(jí)（“sec”）開關(guān)——在本例中是開關(guān)sec2——閉合后，就開始能量轉(zhuǎn)移。具體如下圖所示：

鋰離子電池的底部充電平衡原理

頂部平衡法：如果某個(gè)電池單元的電壓高于其他單元，那么就需要將其中的能量導(dǎo)出，這在充電模式下尤其必要。如果不進(jìn)行平衡，充電過(guò)程在第一塊電池單元充滿之后就不得不立即停止。采用平衡之后則可以通過(guò)保持所有電池單元的電壓相等而避免發(fā)生過(guò)早停止充電的情況。

鋰離子電池的頂部充電平衡原理

上圖給出了頂部平衡模式下的能量流動(dòng)情況。在電壓掃描之后，發(fā)現(xiàn)電池單元5是整個(gè)電池組中電壓最高的單元。此時(shí)閉合開關(guān)sec5，電流從電池流向變壓器。由于自感的存在，電流隨時(shí)間線性增大。而由于自感是變壓器的一個(gè)固有特性，因此開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間就決定了能夠達(dá)到的最大電流值。電池單元中轉(zhuǎn)移出的能量以磁場(chǎng)的形式得到存儲(chǔ)。在開關(guān)sec5斷開后，必須閉合主開關(guān)。此時(shí)，變壓器就從儲(chǔ)能模式進(jìn)入了能量輸出模式。能量通過(guò)巨大的初級(jí)線圈送入整個(gè)電池組。頂部平衡法中的電流和時(shí)序條件與底部平衡法非常類似，只是順序和電流的方向與底部平衡法相反。