电池技术在 200 余年的时间里不断演进,并在近 30 年的时间里取得了飞速发展,从最早期的铜-锌电池、铅酸电池,到目前的锂电池、钠电池,电池能量密度从早期的~10wh/kg 飞速攀升至 200wh/kg。回顾历史上来看,电池管理系统的技术,也是伴随着电池技术的升级,在工程实践中不断得到提升的。
我们把 bms 中的芯片分为通用和专用两种类型。通用芯片包括 mcu、电源管理芯片、通讯接口等芯片,此类芯片可以采用与非电池应用相同或相近的型号,无需针对 bms 进行单独开发;专用芯片针对 bms 应用专门开发,满足特定应用领域中 的 bms 功能 需求。更进 一步, bms 专用芯片 又可以 分为 保护芯片(protector)、充电芯片(charger)、电量计芯片(gauge)、监测芯片(monitor/afe)、均衡芯片(balancer)、认证芯片(authentication)等类型,充电芯片还可以分为开关、线性和电荷泵等类型,均衡芯片可以分为主动均衡和被动均衡两种类型。下面分品类详细介绍每一种芯片的作用。
电池保护芯片( protector )
电池保护芯片负责监测电芯的充放电情况,保障不会因为外部的滥用或者故障而对电池产生损伤。通常来说,电池保护芯片需要监测的异常情况包括过压( ov )、过流( ov )、放电过流( ocd )、充电过流( occ )、过热( ot )等。当检测到出现异常情况时,电池安全芯片可以及时切断电路,保障电池系统的安全。目前部分 bmic 芯片(充电芯片、电量计等)会集成保护功能,但为了实现更加全面的保护,专用电池保护芯片仍然是部分应用中不可缺少的组件。
从结构上来看,电池保护芯片主要由采样电路、放大电路、逻辑电路组成 。相比监测、电量计等芯片,由于电池保护芯片的测量参数仅用于与阈值进行比较,采样精度要求相对较低,逻辑电路部分也以比较器为主,结构相对简单。
电量计量芯片( gauge )
电量计量芯片的作用是通过对电池外部特性(如电压、电流、温度等)的测量,采用特定算法对电池的 soc /soh 等参数进行估计,并将结果反馈给控制器芯片。
电池电量计量芯片的核心能力在于高精度采样电路的设计和 sox 算法 。要实现高精度的 sox 估计,高精度的电压电流采样必不可少。sox 算法种类多样,海外龙头大多有自己独特的、受到专利保护的算法。例如 ti 的阻抗追踪法可以记住电池特性随时间的变化情况,结合电池组具体的化学属性可以准确地知道电池的充电状态,从而延长电池组使用寿命。除此之外,常用的 soc 估计算法还有修正放电终止电压法、动态电压修正法等。
cse7761 是个单相多功能电能计量芯片, 内部集成了 3 路 sigma-delta adc、 功率计算器、 能量-频率转换器、 一路 spi 接口、一路 uart 接口。
cse7761主要功能:
- 提供两路有功电能:有功电能误差在 5000:1 动态范围内<0.1%
- 提供两路有功功率:通道 a 有功功率和通道 b 有功功率,默认通道 b 关闭
- 提供视在功率、功率因数、相角,通过命令选择计算的通道:通道 a 或通道 b
- 提供一路电压、两路电流的波形数据
- 提供一路电压、两路电流有效值的瞬时值
- 提供两路有功功率和一路视在功率的瞬时值,视在功率的瞬时值通过命令选择计算的通道:通道 a 或通道 b
- 提供一路电压、 两路电流有效值的测量:在 1000:1 动态范围内有效值误差<0.1%
- 提供有功功率过载的信号指示,通过命令选择计算的通道:通道 a 或通道 b
- 提供电压通道的过零检测信号、 线频率、过压指示、欠压指示
- 提供两路电流通道的过零检测信号、过流指示
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