新能源电池管理BMS解决方案

德州仪器：以前电动工具，电动自行车还是以铅酸电池为主，去年大家可能留意到一个新闻，江浙70-80%铅酸电池厂都被关闭，因为铅酸电池环境污染引起了政府高度重视，所以接下来在电动工具，电动自行车方面使用锂电池的概率会越来越高。
   
今天先介绍基于电动工具、电动自行车方面的基本应用方案。严格来讲，动力电池行业目前还没有非常标准化的产品，电池本身都还没有一个标准，所以我们的方案相对来说比较多，以满足不同的需求。对于电动自行车和电动工具，我们芯片主要是四大类：
第一，    模拟前端芯片。模拟前端就是把所有电芯的信息、温度、电压以及电流信号全部采集回来，送到中央处理器，通过软件控制实现整体控制 （警告，保护，均衡…）。
第二，    独立工作的的全功能保护芯片。此类型片实时监控电池系统的电压，电流，温度等状态，一旦出现可能引起对电池损坏或者爆炸的危险状态，保护芯片将会切断整个电流回路。
第三，    二级保护芯片。电池最危险的情况有两种：一种是充电的时候，充电电压过高引起电池的损坏或爆炸；另一种是短路，短路不仅对电池本身造成危害，还对整个电池系统造成损害。为了避免在上面所述的全功能保护芯片故障时，电池系统在严重故障下发生损坏或爆炸，往往会在系统中加入一个冗余的二级保护，专门在最危险的条件下切断系统电流回路。目前最常用的二级保护芯片组要是针对过电压保护。
第四，    电池电量计芯片。如果你留意iPhone或者笔记本的电池，里面有一个功能就是告诉你现在电池还剩百分之多少的容量，还能用多久，这个叫做计量芯片。
在电动工具和电动自行车有一部分产品提出了这个要求，其实对计量功能，很多人有一个误解，认为计量功能是可有可无的。那我们看看为什么一定要准确知道这个剩余容量呢？答案如下：

第一，一个精确的计量能够给你的客户很好的使用体验，能够准确测算出电池还能够用多久，这样就可以避免在使用过程中突然发生关机，导致重要数据丢失；

第二，准确的计量可以使你的电池可用容量增加，计量芯片本身不会增加电池的容量，但是电池所有的保护设定都有安全余度，如果没有计量芯片， 安全余度就不得不设得比较高。你看轻载的时候，电池的放电平台比较高，如果是重载的时候，这个电压平台会急剧下降。以前的保护原理，一般都是以电压为主，电压低于某一种阈值的时候，就认为电池已经放空了，就需要把这个电池切断，但是实际上我们在判断的时候无法判断是重载还是轻载，电池是新电池还是旧电池，所以我们不得不预留较大的安全裕度。如果芯片能够准确的告诉你，我们还剩多少容量，这样的话就可以用容量来判断你什么时候应该切断回路，这样你就可以不用预留过大的安全裕度，就可以增加你的电池的可用容量。

接下来我们先讲一下保护芯片，德州仪器提供从2串一直到192串保护芯片，这又分为全功能保护芯片和二级保护芯片。2到4串，基本上是平板电脑的应用范围，3到 6串主要是应用工具的范围，6到16串主要是电动自行车还有UPS的使用范围。

这里所示的二级保护芯片能提供过电压冗余保护。BQ294XX主要用于平板电脑与笔记本电脑。独立的BQ77PL157可以用于3~6节电芯，通过级联，BQ77PL157可以支持最多18节电芯，可用于从电动工具到UPS, E-Bike等领域。  

全功能保护芯片，我们这里介绍的方案主要是针对4串到16串的应用。BQ77908适用于4-8串的应用，BQ77910是做4-10串，但是 BQ77908和BQ77910可以级联起来，可以支持最高到18节电芯。以前的电动自行车主要是7-10串，现在新的是36V电动自行车可能是 12-13串，对于8串和10串来说，BQ77908和BQ77910是目前在市场上最具性价比的管理芯片。但是BQ77908和BQ77910当时设计的时候做了一个CHGST管脚，用于充电器的识别。但是在中国所有的充电器都是2个头，不会有3个头，所以这个地方加一个简单的外部电路，也可以模拟这样的充电器识别功能。

从功能上面讲，BQ77908和BQ77910能够提供所有完善保护功能： 过压，过流、过温保护。过流保护又分为充电过流保护，放电过流保护，再加上短路保护，所有的保护功能都可以通过EEPROM进行设定。BQ77908和 BQ77910是独立工作的芯片，本身具有一个I2C接口，但是这个接口主要用于对EEPROM编程,这是BQ77908和BQ77910有很大的一个特点。大家可能用过精工的产品，精工的产品的各项参数都是定死的，比如说过电压保护的阈值是4.2伏，这是定死的，客户是不能修改的，这样就减少了灵活性，而BQ77908和BQ77910可以任意去设定这个值，就变得很灵活。第二个特点是BQ77908和BQ77910所控制的两个MOS管 （分别用于充电和放电回路的控制），既可以并联也可以串联。

为什么要并联呢？如果这两个MOS管串联的话，这个回路里面，电流都会流经这两个MOS管，功耗就会比较大；如果说外部应用允许把充放电回路的接口分开的话，采用MOS管并联结构，当电池充电时，充电电流就不会流过放电控制MOS管，当电池放电时，放电电流也不用流经充电MOS管，功耗就会大大降低，从而达到节省成本和减少方案的目的。

BQ77908和BQ77910内部集成了50毫安的均衡电流回路,除此以外，因为在电动自行车里面，我们连接线比较多，有可能会发生断线，这里所指的断线不是指电池之间， 大电流回路里的连接点的断路，而是指电池采样信号线输入到芯片的连接点，这个地方有很多时候是通过插口过来的，有可能在振动过程中就会松脱，BQ77908和BQ77910可以通过内部电路自动识别连接线断开的故障。

BQ77908和BQ77910也可以通过一些简单外部电平转换电路实现级联的功能，从而支持10~18节电芯的串联。此外，BQ77908和 BQ77910自身的功耗很低。其高性价比已得到很多客户的认可。

模拟前端芯片不能独立工作，必须跟MCU相配合，TI提供两种颗芯片：BQ77PL900、BQ76925。900是针对电动自行车设计，支持5~10 串，BQ76925主要是针对电动工具设计，它支持3-6串，BQ76925工作架构必须跟MCU相配合，它的功能是把电压、电流、温度全部采集进来，采集进来以后通过模拟电压转换，转换成一个精确的模拟信号传递到MCU，通过AD转换从而使系统识别到所有的电池参数，并通过内部控制软件实现对电池内的充放电控制MOS管的控制来实现安全控制。这里面有几个要点要注意，首先我们电压采样回来的精度如果不准将会导致两个问题，一是保护的点可能是不那么准；二是如果系统还需要对电池做精密的计量，没有准确的电压和电流信号是不可能完成的。特别是我们现在看到磷酸铁锂电池应用得比较多，磷酸铁锂电池最大的特点是放电的平台非常的平缓，这就可能由于很小的电压误差（比如说5mv）导致较大的容量误差（比如10-20%），因此我们电压电流采样的精度要高。常温下，BQ76925能够提共小于正负3mv以内的电压采样误差，全温度范围内可以做到5mv以内，而且温漂非常的低。

刚才龚总提到过均衡的问题，对于大功率的应用大家要求比较高，但对于电动工具等应用，由于成本压力，一般采用被动均衡，BQ76925内部集成50毫安均衡回路，能够满足常规的应用，而且外部元件很少，性价比比较高。 由于MCU需要通过软件对电池系统进行控制，大家知道软件两个问题：可靠性的问题，运行速度比较慢。一旦发生短路,希望电池保护系统在200us之内切断电流的时候，可能AD转换都还没有完成，如果我们完全不采用任何其他辅助功能，它的可靠性就大大降低了，所以BQ76925增加了一个内部报警信号，当电流超过一定限值的时候 （你可以预先设定这个阈值），就发出一个告警信号，使你的MCU进入中断，迅速进入过流处理的程序，及时完成对充放电MOS管的操作，安全性就得到了保障。因为客户可能采用不同的MCU，其AD转换的最高输入电压有的是5V，有的是2.5V，因此BQ76925提供两档电芯电压转换比例，0.3和 0.6。BQ76925可以支持最低到1moH的电流检测电阻，可以支持到100A安以上的电流，完全满足电动工具的需求。BQ76925的通讯口是 I2C。BQ76925本身功耗比较低，正常工作是40个uA，目前这个芯片已经被一些大客户采用。

德州仪器是一个半导体公司，我们的产品广泛应用于各种领域，除了电池管理芯片以外，我们在MCU，电源，信号处理方面都都有很完善的方案。在电动汽车电池方面，我们能够给大家提供一些什么样的产品呢？首先，所有你需要用到芯片， MCU,POWER, 隔离芯片…都可以提供给你。第二，能够提供业界最高精度的方案，目前我们可以做到1mV的精度。下面我们会详细介绍方案，TI是唯一在ISO26262的标准组织里面拥有专家的芯片公司，我们所有芯片设计都是基于ISO26262 D 的标准要求来完成，而且TI也是目前在锂电池管理行业里最具经验的芯片公司。去年TI完成了对国家半导体收购，国家半导体有一项很好的技术，就是主动均衡，等一会儿我跟大家做一点点探讨，主动均衡到底有什么用处。