如何將電池管理 IC 用於堆疊電池及其原因

越來越多充電電池在電動車 (EV) 與油電混合車 (HEV)、電動工具、草坪設備和不斷電電源等應用中提供更高電壓和更大功率。眾所周知，各種化學作用都需要謹慎監控和管理，以確保有效、可靠和安全的操作，滿足這些裝置功率需求需要數十個或更多電池串聯堆疊，因此需要設計人員更加注意，尤其是隨著每個電池組的電池數量增加。

監測和量測單一電池或只有幾個電池的小型電池組不是很大的挑戰，且比針對多節串聯電池組中的電池進行同樣的操作要簡單得多。實作堆疊、多節電池的設計人員需要考慮一些問題，例如在高共模電壓下執行量測、危險電壓的存在、單節電池故障的影響、大量電池的多工、電池不匹配和平衡以及電池堆疊溫差等，以上僅為幾例。這需要先進的電池管理 IC (BMIC) 和電池管理系統 (BMS) 來執行參數量測和控制，加上一些工程專業知識才能妥善運作。

本文討論一般電池管理的基礎知識和挑戰，特別針對多節電池。然後介紹並展示如何應用 Analog Devices、Renesas Electronics Corp、Texas Instruments 的 BMIC。這些 BMIC 專為管理串聯的電池的獨特問題所設計。

電池串聯帶來獨特挑戰

典型的電池監控包括量測流入和流出電池的電流 (電量計量)、監控端子電壓、評估電池容量、監控電池溫度以及管理充電／放電循環以最佳化能量儲存，並在電池壽命中達到最大循環次數。廣泛使用的 BMIC 或 BMS 針對僅由一個或兩個個位數電壓的電池組成的小型電池組提供這些功能。BMIC 或 BMS 充當數據採集前端，其資料回報給電池管理控制器 (CMC)；在更複雜的系統中，CMC 連接到稱為電池組管理控制器 (BMC) 的高階功能。

在本文中，「電池」指單獨的能量儲存單元，而「電池組」指整個電源組，由串聯／並聯組合的多個電池組成。雖然單一電池只產生幾伏特，但一個電池組可以由幾十個或更多電池組成並提供幾十伏特，電池組的組合甚至達到更高。

為達到有效管理，要量測的關鍵電池參數包含端電壓、充電／放電電流和溫度。現代電池組所需的量測效能相當高：每個電池的量測值必須在幾毫伏 (mV) 和幾毫安 (mA) 內，以及大約一度攝氏 (°C)。進行這種小範圍監測的原因包括：

• 確定電池組充電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH)，以便準確預測剩餘電池組容量 (運作時間) 和整體預期壽命。
• 提供實作電池平衡所需的資料，讓充電電池的電壓相互均衡，儘管具有內部差異及不同的位置、溫度和老化狀況。未能執行電池平衡可能會導致電池組效能下降，最壞的情況是電池故障。可以使用被動或主動技術來達到平衡；後者效果更好，但成本更高，也更複雜。
• 防止許多可能損壞電池並導致使用者 (例如車輛及其乘客) 的安全顧慮。這些不樂見的情況包含：
• 過壓或在過大電流下充電，這可能導致熱失控。
• 欠壓：一次過放電不會造成災難性故障，但可能會開始溶解陽極導體。隨後重複的過放電循環會導致充電電池中的鋰鍍層，並再次導致潛在的熱失控。
• 過熱影響電池電解質材料，降低 SOC；這也會增加固體電解質界面 (SEI) 的形成，導致電阻率和功率損耗增加且不均勻。
• 低溫也是一個問題，因為它會導致鋰沉積，這也會造成容量損失。
• 過電流，以及由於內部阻抗不均勻和最終熱失控導致的內部發熱；這也會增加電池的 SEI 層並增加電阻率。

難題在於，在測試台或其他良性環境中準確量測單一電池的電壓是相當簡單的。設計人員只需在該電池上連接一個浮動 (非接地) 或電池供電的數位電壓表 (DVM) 即可 (圖 1)。

圖 1：在概念上，量測串聯的任何單一電池的電壓很簡單，只需一個浮動數位電壓表。(圖片來源：Bill Schweber)

然而，由於許多原因，在電動車或混合動力車等電氣狀態和惡劣的環境中，若要自信且安全地執行則沒有這麼容易。此處具有代表性的 EV 電源組範例清楚說明這一點；該範例由 6720 個 Li+ 電池組成，由八個控制模組管理 (圖 2)。

圖 2：實際的電池組是串聯和並聯組成的電池陣列模組，具有大量儲存能量；這些因素使量測電池電壓的作業變得非常複雜。(圖片來源：Analog Devices)

每個電池的容量為 3.54 安培小時 (Ah)，因此總標稱能量儲存為 100 千瓦時 (kWh) (3.54 Ah x 4.2 V x 6720 個電池)。共 96 行串聯連接，每行由 70 節電池並聯組成，電池電壓為 403.2 V (96 行 × 4.2 V)，容量為 248 Ah (100 kWh/403.2 V 或 3.54 Ah × 70 列)。

這些問題包括：

• 由於存在高共模電壓 (CMV)，因此在量測低個位數電壓在幾毫伏時取得有意義精密度的解析度和準確度會是一項挑戰，因為高共模電壓會使量測系統過載或影響讀取有效性。該 CMV 是所有串聯電池直到被量測電池的電壓總和，相對於系統公共端 (也稱為「接地 (ground)」，儘管用詞不當)。請注意，在 EV 中，最多可以串聯 96 個甚至 128 個電池單元，從而產生數百伏的 CMV。
• 由於 CMV 較高，因此為了電氣完整性和使用者／系統安全，有必要將電池與系統的其餘部分進行電氣隔離，因為兩者都不應該有機會暴露於完整的 CMV。
• 電氣雜訊和突波很容易破壞毫伏範圍讀數。
• 必須在幾毫秒內幾乎同時量測多個電池，以建立準確的電池和電池組狀態整體圖像。否則，電池單元量測之間的時間偏差可能導致誤導性結論和後續動作。
• 大量電池單元代表在單元和數據採集子系統的其餘部分之間需要某種多工的安排，否則互連佈線的尺寸、重量和成本會變得過高。

最後，必須滿足與安全、冗餘和錯誤報告相關的重要和強制考量。標準因產業而異；工業和電動工具與汽車有很大不同，後者的要求最為嚴格。在任務關鍵型汽車系統 (例如與電池管理相關的系統) 中，功能喪失不得導致危險情況。如果系統出現故障，「安全」狀態要求關閉電子設備，並且必須透過儀表板燈或其他指示燈提醒車輛駕駛。

然而，對於某些系統，故障或功能喪失可能會導致危險事件並且無法輕易關閉，因此安全目標可能包括定義的「安全相關可用性」要求。在這種情況下，系統中某些類型的故障需要容差，以避免危險事件。

此類安全相關可用性需在指定的時段內提供基本功能或定義的「退出」路徑 (儘管已定義故障條件)，且安全系統必須在該時段內容忍故障。這種容錯能力使系統能夠在可接受的安全水準下繼續運作更長時間。ISO 26262「道路車輛功能安全」的關鍵部分為系統開發人員提供有關安全相關可用性要求的指引。

IC 現身提供解決方案

供應商已開發 BMS IC，旨在解決在高 CMV 和惡劣電氣環境下準確讀取串聯電池中單一電池的問題。這些 IC 不僅提供基本讀數，還解決多工、隔離和計時偏差技術問題。其符合相關安全標準，並在適當的情況下獲得汽車應用的 ASIL-D 認證，這是最高和最嚴格的級別。

汽車安全完整性等級 (ASIL) 是由 ISO 26262 道路車輛功能安全標準定義的風險分類機制。這是對汽車產業 IEC 61508 中使用的安全完整性等級 (SIL) 的改編。

儘管這些 BMS 元件的「粗略」功能相似，但在架構、可處理的單元數、掃描速度、解析度、獨特功能和互連方式上存在一定差異：

•隔離式 CAN 架構基於星型配置並且非常穩健，因為隔離式 CAN 架構中的通訊線中斷只會中斷一個 IC，而電池組的其餘部分仍然安全。然而，CAN 架構需要一個微處理器，且每個 IC 需要一個 CAN，使得這種方法成本更高，同時提供相對較慢的通訊速度。

•菊鏈架構通常更具成本效益，因為其基於通用異步接收器／發射器 (UART) 的菊鏈可以提供可靠和快速的通訊，而無需複雜的 CAN。最常使用電容隔離，但也可能支援基於變壓器的隔離。但是，菊鏈架構中的斷線可能會中斷通訊，因此一些此類菊鏈系統提供「變通辦法」並支援斷線期間的某些操作。

具有代表性的 BMS IC 包括：

• Analog Devices 的 MAX17843 BMS：MAX17843 是可編程、12 通道電池監控數據採集介面，具有豐富的安全特點 (圖 3)。針對汽車系統、HEV 電池組、EV 以及任何堆疊高達 48 V 的長串聯二次金屬電池串系統經過最佳化。

圖 3：MAX17843 12 通道電池監控數據採集介面納入多種安全特點，適用於汽車應用和任務。(圖片來源：Analog Devices)

MAX17843 包含高速差動 UART 匯流排，可進行穩健的菊鏈序列通訊，支援在單一菊鏈中連接多達 32 個 IC (圖 4)。UART 使用電容式隔離，不僅降低物料清單 (BOM) 成本，而且改善故障時間 (FIT) 率。

圖 4：12 通道 MAX17843 在其菊鏈 UART 配置中使用電容式電流隔離，單鏈中最多支援 32 個元件。(圖片來源：Analog Devices)

類比前端將 12 通道電壓量測數據採集系統與高壓開關組輸入相結合。所有量測都在每個單元上差動進行。滿量程量測範圍為 0 至 5.0 V，可用範圍為 0.2 至 4.8 V。高速逐次逼近 (SAR) 類比數位轉換器 (ADC) 透過過採樣以 14 位解析度將電池電壓數位化。所有 12 個電池均可在 142 μs 內完成量測。

MAX17843 採用雙掃描方法收集電池量測值並進行誤差校正，進而在工作溫度範圍內產生優異的準確度。在 +25°C 和 3.6 V 時，電池差動量測的準確度指定為 ±2 mV。為便於使用此 IC 進行設計，ADI 提供 MAX17843EVKIT# 評估套件，該套件具備 PC 圖形使用者介面 (GUI)，可進行設置、配置、評估。

• Renesas 的 ISL78714ANZ-T：ISL78714 鋰離子 BMS IC 可監控多達 14 個串聯電池，並提供準確的電池電壓和溫度監控、電池平衡和廣泛的系統診斷。在典型配置中，主要 ISL78714 透過序列周邊介面 (SPI) 連接埠與主機微控制器通訊，最多 29 個額外 ISL78714 元件可透過強大的專用兩線菊鏈連接 (圖 5)。該通訊系統非常靈活，可以使用電容隔離、變壓器隔離或組合兩者，最高可達 1 Mbits/s。

圖 5：ISL78714 使用 SPI 連接埠以雙線菊鏈形式連接多個元件，該菊鏈可以使用電容或變壓器架構的隔離。(圖片來源：Renesas Electronics Corp.)

在 20°C 至 +85°C 的 1.65 至 4.28 V 範圍內，初始電壓量測準確度為 ±2 mV、14 位元解析度；在 ±5.0 V 的電池輸入範圍內 (匯流排通常需要負電壓範圍)，後板組裝元件的準確度為 ±2.5 mV。

此 BMS 包括三種電池平衡模式：手動平衡模式、計時平衡模式和自動平衡模式。自動平衡模式會從每個電池中移除主機指定的電量後終止平衡。在所有關鍵功能的整合系統診斷中，若失去通訊，提供監控設備關斷。

• Texas Instruments 的 BQ76PL455APFCR (和 BQ79616PAPRQ1)：bq76PL455A 是整合式 16 節電池監控和保護元件，專為高可靠性、高壓工業應用所設計。此整合高速、差動、電容隔離介面支援多達 16 個 bq76PL455A 元件，透過單一高速 UART 介面以菊鏈與主機進行通訊，雙絞線速率高達 1 Mbits/s (圖 6)。

圖 6：bq76PL455A 16 節電池管理 IC 目標為工業應用，使用電容隔離連接多達 16 個元件，雙絞線纜線以高達 1 Mbits 的速率透過菊鏈排列進行通訊。(圖片來源：Texas Instruments)

14 位元 ADC 使用內部參考，所有單元輸出在 2.4 ms 內轉換。bq76PL455A 監控和檢測多種不同的故障條件，包括過壓、欠壓、過熱和通訊故障。支援使用外部 n-FET 的被動電池平衡，以及透過外部切換矩陣閘極驅動的主動平衡。

此 BMS 可以輕鬆處理少於多達 16 個單元的電池串。唯一限制是輸入必須按升序使用，所有未使用的輸入與輸入連接到最高使用的 VSENSE_ 輸入。例如，在 13 單元設計中，不使用輸入 VSENSE14、VSENSE15 和 VSENSE16 (圖 7)。

圖 7：bq76PL455A 可用於少於 16 個電池；在這種情況下，未使用的單元輸入必須是鏈中的最高單元。(圖片來源：Texas Instruments)

其他 IC (例如 Texas Instruments bq79616PAPRQ1) 包括對環形配置和雙向通訊的支援，使系統能夠繼續監控電池組的健康和安全狀態 (圖 8)。

圖 8：bq79616PAPRQ1 支援雙向環形拓撲，在斷線或節點故障的情況下提供額外鏈路連接路徑。(圖片來源：Texas Instruments)

如果此配置中的兩個電池監控 ASIC 之間出現故障、開路或短路，則控制處理器將能夠透過切換消息傳遞方向來繼續與所有電池監控 ASIC 通訊。因此，如果正常通訊遭遇故障，系統可以使用環形通訊功能的容錯來保持可用性，並且不會失去電池模組的電壓和溫度資訊。對於希望嘗試 bq79616PAPRQ1 的設計人員而言，Texas Instruments 提供 BQ79616EVM 評估板。

• Analog Devices, Inc. 的 LTC6813-1：LTC6813-1 是符合汽車標準的多節電池組監視器，透過其具有可編程雜訊濾波器的 16 位元三角積分 ADC，可量測多達 18 個串聯電池，總量測誤差小於 2.2 mV (圖 9)。請注意，這比其他一些 IC 可以直接支援的單元數更多。所有 18 個電池都可以在 290 μs 內完成量測，並且可以選擇較低的數據採集率以達到更高的降噪效果。

圖 9：LTC6813-1 支援最多數量的電池 (18)，並使用一個 16 位元 ADC 來達到 2.2mV 準確度和高速電池掃描。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

多個 LTC6813-1 元件可以串聯連接，允許同時監控長的高壓電池串。LTC6813-1 支援兩種類型的序列連接埠：標準四線 SPI 和 2 線隔離介面 (isoSPI)。非隔離式四線連接埠適用於較短距離的鏈路和一些非汽車應用 (圖 10)。

圖 10：LTC6813-1 支援標準四線 SPI 互連，用於較短距離的鏈路和一些非汽車應用。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

1 Mbit/s 隔離序列通訊連接埠使用單一雙絞線，傳輸距離可達 100 m，具有低電磁干擾 (EMI) 敏感性和發射率，因為該介面設計用於低封包錯誤率，即使佈線受到高 RF 場影響。這種菊鏈的雙向功能即使在發生故障時也能確保通訊完整性，例如通訊路徑上的斷線。

在其雙線配置模式下，透過外部變壓器達到隔離，標準 SPI 訊號編碼為差動脈衝。發射脈衝的強度和接收器的閾值位準由兩個外部電阻 R_B1 和 R_B2 設置 (圖 11)。電阻的值由設計人員選擇，以允許在功耗和雜訊耐受性之間進行權衡。

圖 11：LTC6813-1 還透過單一雙絞線提供雙線、1 Mbit/s、變壓器隔離的序列通訊連接埠，傳輸距離可達 100 m，具有低 EMI 敏感性和發射。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 可以直接從正在監控的電池堆疊或從一個獨立隔離式電源供電。還包括每個電池的被動平衡，以及使用脈寬調變 (PWM) 的獨立工作週期控制。

結論

準確量測單一電池或只有幾個電池的小型電池組的電壓、電流和溫度是一項不難的技術挑戰。然而，在惡劣的汽車和工業環境中，準確量測串聯電池組中單一電池的這些相同參數並不容易 (電池間時間偏差可忽略不計)，這是由於電池數量大、CMV 高、電氣雜訊大、監管要求和其他問題。

如上所述，設計人員可以採用專為這些應用所設計的 IC。此類 IC 可支援解決問題所需的電流隔離、精密度和快速掃描時間。因此，能提供準確、可操作的結果，進而達成關鍵的高等級電池管理決策。