新能源电池管理解决方案 德州仪器, 电池

羞红的夏天

大家早上好。我是陈放。很高兴在这里跟大家分享一下德州仪器在新能源上面的锂电池管理系统解决保护方案。
在开始演讲前，我想问现场工程师几个问题，在场的工程师有没有跟BMS相关的？有一个。有哪些工程师和锂电池行业有关？太好了。还有哪些工程师和新能源汽车、储能电站这一类的项目有关的吗？
今天是非常兴奋的时刻。我有一些架构图给大家做比较详细的解释。首先给大家介绍一下TI的BMS的概念，我们叫做电池管理系统解决方案，我们目前主要是面 向锂电池，现在大家知道国家节能以及新能源政策，主要方向都是在锂电池方面。这个图是关于整个BMS产品组里面的架构，因为BMS的含义比较广泛。新能源 汽车，纯电动方面，BMS是很狭隘的范围，只限于动力电池系统。我们BMS围绕单串的锂电池，甚至180串的锂电池，电池包的系统都有很完善的解决方案。 像现在的平板电脑，大家经常会用到MP3、MP4，多串一点就是用的电动工具甚至电动自行车，以后大家还会用到家用的这种后备电源，涉及到国计民生的就是 新能源汽车，包括纯电动汽车，混合动力汽车，昨天也有成都街上有很多电动大巴车，跟广大的市民有关系的，那就是国家电网正在努力推进的储能电站项目，这些 都是以动力锂电池为载体的。所以看到TI的解决方案都非常广泛。这次电路保护与电磁兼容研讨会 的主办方 中国电子展 (www.aidzz.com)、电子元件技术网(www.cntronics.com)和我爱方案网(www.52solution.com)！
这个是我们整个BMS大的组，这一排有五个蓝色部分，表示我们有五条产品线，第一个产品线我们叫做单节电芯的充电管理，我们目前主要用在平板电脑，以及有 一些移动电源上面。多节的电芯，这是一个产品线，我们主要覆盖笔记本电脑上的充电芯片。SINGLE两个系列都是电池容量计算方面，分为单串和多串，单串 面对消费类电子，多串在笔记本市场，可以占到70%。另外就是动力这一块，号称汽车BMS系统。刚才我说到的动力电动汽车、混合动力汽车、储能电站的解决 方案都在我们这个产品线。先跟大家介绍一下在工业级别上的这种电动自行车，高串数的解决方案，我们的目标现在覆盖到电动工具、电动自行车，以及UPS市 场，后备电源市场，这些市场上现在都是已经开始广泛的推广锂电池的应用。所以对于锂电池BMS的应用，也是非常的急迫。
电子元件技术网的元器件知识库( http://www.cntronics.com/public/baike )栏目或是我爱方案网的知识堂( http://www.52solution.com/knowledge )频道以及深圳会展指南网 ( http://www.0755hz.cn/ )等网站为本次研讨会活动提供不少资料，和网络宣传！个人在这里表示感谢！
我在这个地方可能没有做很多电池知识的普及了，我想跟大家也提一下，大家也都经常听到，在好几年前有听说某个民工把电池放在口袋里，因为高温导致电池爆炸， 导致生命损失。去年杭州也有电动汽车燃烧。今年深圳也有一个损失，电动出租车撞车，立马起火，车上三人当场被烧死。随着社会发展，能源市场的发展，锂电池 终将成为主流新能源应用，发展趋势是不会停下来的。但是现在看到安全的这些问题，对于锂电池管理的要求，对于我们厂商、电池厂、车厂，路途还很遥远。这个 是电动自行车、电动工具，16串以下，48V以下电池包相关的解决方案。黑色这部分是我们TI已经量产的产品，蓝色的部分是下半年即将全系列推出。我们在 16串以下电池产品主要分为三个大类。一个是独立解决方案。这一类的产品它是不带通讯口的，不用接受MCU的控制，单颗芯片就完成电池监控和保护。所以它 是性价比比较好一点，就是价格会很好。目前的产品有能够支持到10串的，有的支持到8串的，下面会出4串和5串这一类型的产品。
另外一种，我们根据客户有很多的特殊要求，我们除了保护，我可能说必须要有电量显示，必须要有电池的充放电数据的管理，必须要有纪录，甚至有客户说，这个 上面要有GPS系统，还要通讯。在上海的电动大巴上有这个应用，每过半个小时会将这个电池所有数据返回到控制台，以做它的监控。上海去年有一辆大巴车，可以说是自燃，可后面看到，控制台半个小时之前就收到信息，电池温度和电压已经不太正常了。
锂电池尤其是动力锂电池，现在电池并不是非常安全的东西。所以对于BMS系统来说，随时稳定可靠的记录它的数据，并且及时的报告，以助于中央控制器的管理 是非常重要的。针对这些要求，我们有第二类的产品，我们叫做AFE，模拟前端。这些要实现的功能就是说将锂电池的电压、温度以及电流这些数据最快速度、最稳定的把它抓取到，然后给到后端MCU进行处理，这是它最重要的功能。我们根据电池的串数来进行设计，现在目前能做到3到6串的，后面一直推出到16 串，16串的概念，这个电压不是大家拍脑袋想出来的，这些电压是根据非常多的铅酸电池应用环境转换过来的。我们知道铅酸电池单体电压基本上在2V左右，根 据铅酸电池整个行业目前的状况，大多数的铅酸电池厂以6串电池为一个电池包，以12V为基本单元，所以很多铅酸电池所应用的领域就是12V、24 V、36 V、48 V，基本上是12的倍数。有很多的电机也是以这个电压为参考的。所以锂电池应用上面，基本上以铅酸电池的电压来做参考。16串适用于磷酸铁锂，去年开始我 们也看到号称有厂家推出钛酸锂这种产品，不同材料做成的锂电池，单体电压是不同的。比如说48V的电池包如果用猛酸锂，用13串就够了。为什么这么多产品 要定义不同的串数，首先定义电池包是多少串，要监控16个通道或者13个通道的电池，每一节电芯都是随时监控它、注意它。刚才说到我们叫做模拟前端的一系 列产品。
另外一种产品就是关于TI的我们叫做锂电池容量计算产品。可以支持65V以内的锂电池包的容量计算，后面推出一个78350的产品，主要跟前端的模拟芯片 做搭配，搭配起来一起用，里面也嵌入了阻抗追踪算法。这个算法就是在电池充放电的过程，会用我的IC不断监控锂电池内阻的变化。有很多做电池就知道，电池的充放电次数增多，过了一段时间之后，电池的内阻是不同 的，内阻不同电池容量就会产生变化，就像你买一个桶，刚刚买的时候容量标志是装两升的水，用久了以后可能缺了一块，就只能装1.5升了，一样的道理。
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我们有锰酸锂的解决方案，有客户说这个应用不需要太高端的应用，只是一个简单的保护，根据这种市场，我们推出904、905，一个做四串，最多支持20 串。908A和910A主要应用在电动车上面，OV是过压保护，UV是欠压保护，每一个电池规格都会告诉你有一个终止电压，超过这个电压就不允许充电，否 则会有危险。欠压的话，电池放电的时候，容量放下来之后，同时电池电压会下降，这个时候我也有一个截止的电压，超过这个截止电压，从电池原理来讲，我们知 道锂离子电池通过在正负级之间的运动产生电流，放电放得过多的话，负级锂离子就会没有了，再充电的时候就会很难，这样实际上造成了电池的损伤。所以电池厂 家要求欠压也要进行保护。另外是过温的保护，锂电池也是很娇气的东西，跟环境有很大的关系，我们有很多数据表明，锂电池的环境温度上升十度，整体寿命基本 上是损失三分之一。

所以大家可以看一下高温的时候放不出来，低温也放不出来，工作环境有一个区间，这个区间也要监控它。另外就是过流了，过流和短路保护这些也都是必须要的。 BQ76925的结构很简单，把电流电压全部采集过来，后端是用了430系列的，目前市面上功耗最低的一种MCU，由他进行对AFE模拟前端监控，给他一 些信息，把这个信息抓回来，其他的算法以及保护指令由MCU给到模拟前端下达，需要做保护的时候，给他作出保护的动作。
   
接下来介绍一下TI在汽车BMS领域的产品。关于TI在汽车领域，我们有很多的产品，一方面我们有一个叫MSA的部门，专门做汽车的产品。去年9月，TI 公司以63亿美金收购了美国国家半导体，也有很多汽车产品目前跟TI整合到一起。值得一提的就是我们汽车BMS，因为原来国半和TI各个有两个团 队，现在是合二为一的，接下来把这两个团队的产品详细介绍一下。我们BMS的产品不仅仅是芯片了，刚才介绍了16串以下工业BMS，只是芯片级的解决方 案。
接下来介绍我们的整体解决方案。为什么会这样做呢？其实主要还是源由于目前整个欧美车厂对于BMS  IC厂家的要求，我们可以看到，在五年前欧美车厂，汽车行业已经开始在推行ISO26262，这个标准叫做汽车安全完整性等级。我们会讲到安全性等级是指 汽车测试的时候就OK了，现在新能源汽车的发展，汽车厂已经细化到对每一颗IC都提出标准的要求，不是说你拿一个芯片过来做高低温测试，静电测试这么 简单了。从芯片设计功能上面就要要求你去考虑到在汽车安全完整性上你是怎么加入这些功能的，有这些功能的要求了。所以我们后续的产品都是去满足ASIL- D 这个产品。它分四个等级，D是最高的等级。车用储能系统这边可以给大家分享一下，对于电池组车上面的安全。对于很多汽车的燃烧，我们也经常听到电池在仓库 里都有自燃，这些都是电池安全性的。大电流放电是很正常的要求了，另外就是快速充电。还有化学稳定性，循环寿命长。我们知道目前磷酸铁锂，充放电可以做到 两千次，锰酸锂是能做到五百次。钛酸锂是能做到一万次。比如纯电动汽车，现在最小的标准是96串，330V的。我让96节电芯串起来，怎么让一组的电芯寿 命延长，对于电池厂家来说也是很大的难题。因为这一块涉及到第一你电池老化以后再做容量匹配的时候，你的电芯一致性是不是够好，这个是很关键的。另外一个 就是我怎么样把这些电芯装配起来，这也对每一个电池厂是很大的挑战。一种是圆柱型的电芯，另外一种是方型的，怎么样装配起来放在车体里面，对电池厂来 说是目前他们需要解决的课题。
   
因为刚才提到有均衡性的、一致性问题，我们知道也许我今天买了10个木桶，只有一个木桶好了，这个木桶是由10个板子做成的，10块木板里面有一块断了， 大家知道了，整个木桶装水的容量将是由最短的这一块木板决定，这是木桶效应。电池包所能放出来的电量跟这个木桶效应相类似，当你有96串电芯串联，当有 一个电芯容量受到了减少，它会影响整体的电芯，这个时候就叫做不均衡、不一致。因为十块板子的长度不一致了。怎么来解决？因为电芯充放电的倍率和温度不同 的情况下，它的损耗主要是来自于它自放电，自放电不太一样，所以十块木板损耗不一样，用什么样的方法让十块木板拉到同一个水平线？接下来给大家介绍一下， 刚提到十个木板均衡的要求，就是寿命和放电的深度，我们知道每家电池的规格不一样，放电深度也会跟寿命成一定的影响。对于整个BMS系统，以及工作包的环 境有要求的。