大功率锂电池保护技术的突破

作者：Roman xu    来源：电子系统设计

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 随着技术的进步和对环保要求的提高，锂电池正在逐渐成为充电电池的主流，尤其在移动电子产品领域，锂电池依靠较高的能量密度，已经几乎占领了所有的市场。但是在一些对动力要求比较高的应用领域，锂电池由于在成本和放电率指标方面不占优势，所占份额仍然不高。比如在电动自行车领域，铅酸电池仍旧占据较高份额，在中国市场使用锂电池的只有大概1%的市场份额，而在欧美发达国家则占据大概50%。这么低的市场占有率，主要原因当然是价格，但是锂电池本身的使用寿命和安全性也是一大短板，这些问题不能良好地解决，会极大影响锂电池的市场占有率。 而要解决锂电池的寿命和安全性就需要专门的监控和保护电路，这是锂电池相比其他电池的一个特点，它必须带有保护电路，否则就会因为发热而爆炸，以前有过山寨手机使用不带保护电路的锂电池，结果电池爆炸造成伤害事故的报道。由此可以看出保护电路的重要性，而以前很多保护电路是用分立元器件搭出来，在成本和可靠性方面都不具有优势，针对这一市场状况，德州仪器推出了业界首款面向电源工具与电动自行车的单芯片电池管理器件bq77910。 为何是面向电源工具和电动自行车的应用，这要从支持的电池组串数说起。因为该器件的支持范围是4到10串，通过级联方式可以支持最高20串的电池，锂电池的串数决定了它的输出电压，10串就是输出34V电压，在这个范围内，电池的应用范围就是电动自行车、电动踏板车、便携式园艺工具、电源工具以及不间断电源 (UPS) 等，对电压电流要求有一定要求，但是要求不是非常高的领域。如果要进入电动车领域，那么这个串数就可以到100多串，这就不是该器件所能覆盖的领域了。 电池保护电路的主要作用是在各种条件下保持电池组的安全工作、尽量延长保持电池的使用寿命、在不超出安全阈值的情况下确保电池组的完全充电和利用。bq77910就是一种集成型电池管理解决方案，提供所有必要的电池组保护功能和集成型电量平衡功能，包括：电池单元过压、电池单元欠压、充电短路、放电短路过流、电池组温度、开路短路热敏电阻检测和开路电池单元检测、掉电保护，防止功率 FET 过热等功能。它的最大特色就是以独立器件方式运行，无需外部微处理器，内部集成逻辑控制部分，这样就使整体方案的低成本成为可能。 在该器件所针对的高功率电池组本身在应用中就要经受极大的挑战，比如极高的电流，而且要求放电电流大，充电电流小，负载本身与电池也要分离。还需要独立的充放电路径，这样可以根据所需大小选择适当的保护路径元件（MOSFET），从而减少成本。而在某些应用领域，比如电动车和UPS中，还需要快速的充放电转换。这些都对电池组的设计以及保护电路带来了极大的技术挑战。 bq77910 为了满足大功率应用需求，所以针对以上的要求都做了精心的设计。比如，通过配置，可支持具有 4 至 10 串电池单元的电池组工作，在 10 节配置下，最高输入电压为 50 V。它可预设安全阈值和时间延迟（在非易失性存储器中编程），以便与各种类型的锂离子电池系统匹配，可以支持LiCoO2、LiFePO4 以及 LiMn2O4 等锂电池类型。该器件可在电池组制造时编程，以后无需外部微控制器便可作为独立保护器工作。它可以直接驱动低侧 NMOS 功率FET，NMOS功率控制成本较低，而效率更高，特别是用于高压大电流应用。它的FET 配置很灵活，可根据需要选择不同大小的功率 FET（为充电和放电电流提供串行或分离式路径），可以为客户带来成本优势。 而一般同类的竞争器件都不集成保护性 FET 驱动电路、电流感测、温度传感，这就需要另外使用分立元器件来完成这些功能。bq77910的单芯片解决方案只需要外部功率 FET和无源组件，内部集成电流感测与温度传感功能并且采用内部 FET 实现电量平衡。无需外部平衡 FET，在必要时，也可采用外部 FET 实现更高电流的电量平衡。而大多数其它器件的电量平衡功能需要外部 FET 和外部微处理器来实现电量平衡管理。电量平衡功能为何那么重要呢？电池组内部不匹配的电池单元不能通过外部接触检测出来，而电池组内部单元不匹配就会造成电池寿命的极大降低，而且电量不平衡会随时间推移而逐渐加重，因为其中一个单元失效就会造成整个电池组的失效。而采用大量电池单元的电池系统由于温度渐变和电池单元在高放电速率下的自身发热，更容易出现不平衡状况。所以这个电量平衡功能对所有的电池组都非常重要。 锂电池由于近年来放电速率的提高，已经占领越来越多的市场份额，而锰酸锂以及磷酸铁锂电池的在电动车领域的应用已经开始商业化的进程，比亚迪就在自己的电动车使用了后者，显然锂电池已经是整个动力电池市场的大势所趋，而锂电池所必需的保护控制芯片则是一个潜力巨大的市场，相信会有更多的厂商进入这个市场，带来更加成熟的产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/9/2011)