作者：Doctor M

在電動(dòng)化趨勢帶動(dòng)下，汽車(chē)正發(fā)生著(zhù)翻天覆地的變化，核心三大件由燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)和變速箱變成了電動(dòng)汽車(chē)的"三電系統"——電驅、電池、電控。根據車(chē)企公布的成本數據，電池系統是電動(dòng)汽車(chē)中成本占比最高的部件，接近總成本的40%。

一方面，電動(dòng)汽車(chē)的電池系統"壞不起"。在電動(dòng)汽車(chē)的維修項目中，一旦和電池系統掛鉤，維修成本將驟增。算上維修系統的零部件溢價(jià)，一旦電池系統出問(wèn)題，往往需要花費整車(chē)價(jià)近六成的成本進(jìn)行維修。另一方面，偶發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)自燃事故證明，電動(dòng)汽車(chē)電池爆燃具備更大的破壞力，且留給駕乘人員的逃生時(shí)間更短。因此，保障電池系統的安全穩定，是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的共同目標。

實(shí)際上，從手機和電動(dòng)自行車(chē)發(fā)生爆燃事故開(kāi)始，公眾和產(chǎn)業(yè)界就開(kāi)始重視鋰電池的安全問(wèn)題，只是在汽車(chē)領(lǐng)域，安全的概念得到了進(jìn)一步的加強。這篇文章，我們就來(lái)具體解讀一下鋰電池的安全防護，并為大家推薦貿澤電子分銷(xiāo)的能夠保障電池安全的元器件。

關(guān)于鋰電池安全

眾所周知，由于自身物理特性，鋰電池具有相當的危險性。鋰電池充電時(shí)，將電能轉化為化學(xué)能進(jìn)行能量?jì)Υ�，放電時(shí)則將化學(xué)能轉化成電能進(jìn)行能量釋放。而鋰電池一旦儲存了能量，不可控的能量釋放就會(huì )引起爆燃。由于智能手機、電動(dòng)自動(dòng)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)都在追求長(cháng)續航，電池系統的高能量密度已成為一種產(chǎn)品優(yōu)勢，但這其實(shí)進(jìn)一步增加了爆燃的破壞力。

當然，鋰電池最終的破壞力呈現是通過(guò)爆燃方式，但這并不是瞬間完成的，而是以熱失控的形式有一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。何種情況會(huì )造成鋰電池熱失控呢？行業(yè)將這些情況統稱(chēng)為濫用條件。通過(guò)查看中國國家標準GBT31485-2015《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及實(shí)驗方法》后發(fā)現，濫用條件包括過(guò)放、過(guò)充、內外短路、擠壓和跌落等。

以電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統為例，其一般由電芯、BMS（電池管理系統）、結構件（箱體、導線(xiàn)、接插件等）和熱管理系統組成。

電芯就是單節的鋰離子電池，由正極片、負極片、隔膜、電解液和結構件組成。很多動(dòng)力電池系統事故，比如自燃，都是由電芯內短路引起的。發(fā)生內短路之后，電芯溫度會(huì )快速上升。當溫度達到一定程度后，電芯內保護負極活性物質(zhì)的隔膜便會(huì )消失，導致負極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，這是后續電池內部產(chǎn)生一系列放熱副反應的第一步。然后大量熱量和可燃氣體釋放，最終造成系統爆燃。

此外，還有兩種會(huì )引起電池系統發(fā)生爆燃的濫用情況是高溫和過(guò)充，其中高溫也包括由于過(guò)放和外短路造成的系統溫度快速上升，而這些都是BMS系統監控的重點(diǎn)。BMS負責監控電池端電壓、電池間能量均衡、電池組總電壓/電流、電池端/電池組溫度等。如上所述，當這些指標發(fā)生異變后，電池便會(huì )進(jìn)入濫用條件，如果不能及時(shí)制止，便會(huì )造成爆燃事故。

電動(dòng)汽車(chē)對高性能BMS有迫切的需求。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速增長(cháng)也對BMS產(chǎn)品有積極的帶動(dòng)作用。根據QYReaserch的分析數據，2020年全球汽車(chē)BMS市場(chǎng)規模達到了217億元，預計2027年將達到885億元，年復合增長(cháng)率（CAGR）為26.19%。

BMS被很多業(yè)者稱(chēng)之為"電池保姆"或者"電池管家"，其主要作用是智能化動(dòng)態(tài)管理，以及維護各個(gè)電池單元，防止電池出現過(guò)充和過(guò)放，延長(cháng)電池的使用壽命，監控電池的狀態(tài)。在電池管理方面，BMS能夠準確獲取動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)（State of Charge，即SOC），保證SOC維持在合理的范圍內，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對電池造成損傷。當發(fā)現電池組中某些電池的電壓或者容量過(guò)高/過(guò)低時(shí)，BMS具備在單體電池間進(jìn)行均衡的能力，這是防止電芯進(jìn)入濫用情況的關(guān)鍵一環(huán)，既延長(cháng)了系統壽命，又杜絕了安全風(fēng)險，同時(shí)為快充提供了安全穩定的運行條件。

總結而言，在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)應用中，BMS系統主要實(shí)現以下功能：

· 準確獲取動(dòng)力電池組SOC，并通過(guò)系統算法將SOC維持在合理區間；
· 對電池組和電芯進(jìn)行均衡管理，包括熱管理、充放電管理等；
· 為電池組提供多種保護功能，包括過(guò)充保護、過(guò)放保護、短路保護等；
· 借助通信總線(xiàn)和整車(chē)系統做信息交互。

除了在BMS和電池材料等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域做創(chuàng )新外，為了促進(jìn)鋰電池的安全使用，政策端也在加緊頒布相關(guān)條例，力圖對產(chǎn)業(yè)起到正確的引導作用。

LTC3300

適用于電動(dòng)汽車(chē)的多節電池平衡器

在上面的分析中，我們以汽車(chē)動(dòng)力電池系統為例，解讀了哪些濫用情況會(huì )導致動(dòng)力電池組的爆燃風(fēng)險，并提到了BMS系統在動(dòng)力電池系統安全層面起的重要作用。接下來(lái)，我們要介紹的第一款產(chǎn)品便是能夠應用于電動(dòng)汽車(chē)BMS系統的LTC3300多節電池平衡器。該產(chǎn)品由制造商ADI供應，貿澤電子上該產(chǎn)品的供應商產(chǎn)品編號為L(cháng)TC3300HLXE-2#WPBF。

LTC3300雙向多節電池平衡器是一款故障保護控制器IC，適用于對多節電池的電池組進(jìn)行基于變壓器的雙向主動(dòng)電荷平衡。通過(guò)圖1可以看到，LTC3300具備豐富的管腳功能，在器件內部集成了各種相關(guān)的柵極驅動(dòng)電路、高精度電池傳感、故障檢測電路和一個(gè)帶內置看門(mén)狗定時(shí)器的堅固型串行接口。

圖1：LTC3300引腳配置（圖源：ADI）

圖2是LTC3300的典型應用框圖，該器件可利用一個(gè)高達36V的輸入共模電壓對多達6節串聯(lián)連接的電池進(jìn)行電荷平衡，解決了單向平衡在電池組中電池電壓很低時(shí)的低效問(wèn)題，從而實(shí)現長(cháng)串串接電池中每節電池的電荷平衡。盡可能縮短平衡時(shí)間并降低功耗。通過(guò)外部設置，平衡電流可達10A。

圖2：LTC3300典型應用框圖（圖源：ADI）

同時(shí)，LTC3300具備行業(yè)領(lǐng)先的可擴展性，借助其電平轉換SPI兼容型串行接口，能在不采用光耦或隔離器的情況下完成多個(gè)LTC3300-1器件的串聯(lián)連接，可堆疊支持1000V以上的系統。并且串聯(lián)連接的LTC3300-1可以同時(shí)工作，因此能夠對電池組中的所有電池同時(shí)獨立地進(jìn)行電荷平衡。此外，LTC3300還能夠與LTC680x系列多單元電池堆棧監控器無(wú)縫集成。

如圖3所示，LTC3300具備高達92%的平衡器效率。

圖3：LTC3300的實(shí)測效率（圖源：ADI）

全面出色的保護性能是LTC3300器件的一大亮點(diǎn)，能夠提供各種故障保護特性，包括回讀能力、循環(huán)冗余校驗（CRC）錯誤檢測、最大導通時(shí)間伏特-秒鉗位和過(guò)壓關(guān)斷。

當應用于串接式鋰離子電池的BMS系統時(shí)，LTC3300-1組成的電池組平衡器是系統中的關(guān)鍵部件，能夠和監視器、充電器、微處理器或微控制器協(xié)同工作。圖4是LTC3300-1應用于BMS系統的原理圖，電池組平衡器在系統中的作用是，針對某一個(gè)給定的失衡電池與相鄰的較大的電池組（其包含失衡電池）進(jìn)行電荷轉移，以達到單電池和整個(gè)電池組的電壓或容量平衡。

圖4：LTC3300-1應用于BMS的原理圖（圖源：ADI）

在BMS系統中，LTC3300和LTC680x系列多單元電池堆棧監控器的無(wú)縫集成提供了高精度的電壓監視保護。高達92%的平衡效率讓LTC3300和具備相同平衡器功耗、效率僅為80%的方案相比，平衡電流可提升一倍多。

這種高效的平衡方式，延長(cháng)了動(dòng)力電池組的使用壽命，有助于實(shí)現更快的充電速度。從系統安全來(lái)看，更高效的電池平衡可以避免情況惡化。出現電芯電壓或能量不平衡時(shí)，如果不能快速解決，就容易進(jìn)一步惡化為過(guò)充或者過(guò)放，這正是我們上述提到的濫用情況。

在潛在應用場(chǎng)景上，LTC3300除了適用于電動(dòng)汽車(chē)或者插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）的BMS系統外，也可應用于通用型多節電池的電池組監測、大功率UPS/電網(wǎng)能量存儲系統等市場(chǎng)。

ISL94216x

可精確監控的電池前端IC

上述內容中，我們多次提到了BMS在電動(dòng)汽車(chē)中的重要作用，并介紹了一款可用于電動(dòng)汽車(chē)BMS電池平衡的元器件。實(shí)際上，BMS系統在電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域也極為重要。頻發(fā)的事故讓電動(dòng)自行車(chē)已經(jīng)被禁止進(jìn)入居民樓內，但是要杜絕此類(lèi)事故，還是要從根本上提高各類(lèi)型輕型電動(dòng)車(chē)的電池安全。

接下來(lái)這款器件便可用于輕型電動(dòng)車(chē)的BMS系統，它就是ISL94216x電池前端IC，來(lái)自制造商Renesas Electronics。工程師朋友通過(guò)在貿澤電子上搜索制造商器件編號ISL94216IRZ，就可以精準地找到它。

圖5：ISL94216x電池前端IC（圖源：Renesas Electronics）

圖6是ISL94216x電池前端IC的系統框圖，展現了該器件的集成特性。該器件支持I2C、SPI和單線(xiàn)協(xié)議棧，可在電池管理解決方案中連接MCU。

圖6：ISL94216x電池前端IC系統框圖（圖源：Renesas Electronics）

ISL94216x電池前端IC具備多項電池監測功能，能夠定期掃描電池狀態(tài)和工作環(huán)境，以?xún)?yōu)化電池壽命并防止災難性故障。該器件搭載的差分多路復用器和16位ADC可精確監控電池組整體狀態(tài)下的電池電壓、溫度和負載電流。同時(shí)，器件里的充電/負載喚醒檢測電路能夠動(dòng)態(tài)獲取電池組的工作情況。

BMS系統的核心功能是監測和平衡。在電池平衡方面，ISL94216x電池前端IC具有內部電池平衡電路，可提供每節8mA平衡電流。因此，當應用于輕型電動(dòng)車(chē)BMS系統時(shí)，該器件能夠提供多種操作模式和監測/保護功能。

在此額外強調一下ISL94216x電池前端IC的開(kāi)路檢測功能，電路框圖如圖7所示，其中VC0-VC16檢查連接器和電池之間的導線(xiàn)（藍色），VSS和VBAT1 OW檢查紅色的連接，以此來(lái)判斷BMS和電池單元的連接是否斷開(kāi)。

圖7：ISL94216x電池前端IC開(kāi)路檢測功能（圖源：Renesas Electronics）

開(kāi)路檢測是BMS自診斷中一項很重要的功能，一旦連接器和電池組斷開(kāi)連接，BMS將不能繼續提供系統監測和調節功能，如果此時(shí)其他電路繼續工作，不僅會(huì )損害電池組，甚至會(huì )造成事故。

將危險扼殺在萌芽期

從當前產(chǎn)業(yè)的技術(shù)現狀來(lái)看，鋰電池自身的風(fēng)險性在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內還將繼續存在，但產(chǎn)業(yè)界對此并非束手無(wú)策。從系統監測到電池平衡，各大廠(chǎng)商提供的電池保護元器件能夠將鋰電池的危險扼殺在萌芽期。

BMS系統的重要性已經(jīng)得到了全行業(yè)的認可。面向未來(lái)，BMS需要更好的狀態(tài)估算技術(shù)、電池診斷技術(shù)、主動(dòng)均衡技術(shù)，云化BMS也會(huì )成為必然的趨勢；在產(chǎn)品形態(tài)上，分布式管理讓BMS的功能更加清晰、分離，并借助集成技術(shù)融入到不同的域控制器中；再有，BMS將追求更先進(jìn)的功能安全，做到電池全生命周期的安全管理；此外，低成本技術(shù)是未來(lái)BMS主要的實(shí)現方式。

當然，電子元器件是實(shí)現這一切的基石。而這些帶有出色保護性能的元器件，工程師朋友在貿澤電子的"電池管理"欄目下都能夠輕松獲取到，并且有豐富的開(kāi)發(fā)工具與元器件相關(guān)聯(lián)，幫助工程師朋友把好鋰電池應用的"安全關(guān)"。