多單元前端可延長電池壽命和安全性

電池管理系統(tǒng) (BMS)在儲能和移動應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可確保電池的安全性并延長其使用壽命。在構(gòu)成 BMS 的不同部分中，電池前端是最關(guān)鍵的部分之一，因為它必須定期掃描電池狀態(tài)和運行環(huán)境，優(yōu)化電池壽命并防止災(zāi)難性故障。隨著鋰離子電池的電壓和電池單元數(shù)量的增加，該組件變得越來越重要。典型的 BFE 負責(zé)多項關(guān)鍵功能，包括準(zhǔn)確監(jiān)控、電池平衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。

瑞薩電子 RAA489204

瑞薩可以依賴一個相當(dāng)大的電池管理集團，由于收購了一些在汽車領(lǐng)域運營的公司，該集團得到了加強和擴大。去年 11 月，瑞薩發(fā)布了 BMS 模擬前端，他們稱之為堆疊電池前端。這個模擬部分基本上是一個鋰離子電池管理器 IC，可監(jiān)控多達 14 個串聯(lián)連接的電池。RAA489204 提供電池管理系統(tǒng)所需的所有功能，例如準(zhǔn)確的電池電壓和溫度監(jiān)控、電池平衡和廣泛的系統(tǒng)診斷。

該設(shè)備的一個相關(guān)特性是其集成的通信通道，這使得它能夠與電池組進行上下通信，只需簡單的過濾和隔離，并且在電池組的每一層都不需要控制器或單獨的通信芯片。典型配置包括一個通過 SPI 端口與主機微控制器通信的主 RAA489204，以及多達 29 個額外的 RAA489204 設(shè)備，這些設(shè)備通過強大的專有兩線菊花鏈連接在一起。在這種情況下，可以管理的單元總數(shù)等于 420。該通信系統(tǒng)非常靈活，可以通過電容器隔離、變壓器隔離或兩者的組合來實現(xiàn)。

堆疊式電池具有與電動汽車相同的格式，而且它們需要高壓電池。該設(shè)備的目標(biāo)電池管理系統(tǒng) （BMS）在儲能和移動應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可確保電池的安全性并延長其使用壽命。在構(gòu)成 BMS 的不同部分中，電池前端是最關(guān)鍵的部分之一，因為它必須定期掃描電池狀態(tài)和運行環(huán)境，優(yōu)化電池壽命并防止災(zāi)難性故障。隨著鋰離子電池的電壓和電池單元數(shù)量的增加，該組件變得越來越重要。典型的 BFE 負責(zé)多項關(guān)鍵功能，包括準(zhǔn)確監(jiān)控、電池平衡和廣泛的系統(tǒng)診斷功能。

瑞薩電子 RAA489204

瑞薩可以依賴一個相當(dāng)大的電池管理集團，由于收購了一些在汽車領(lǐng)域運營的公司，該集團得到了加強和擴大。去年 11 月，瑞薩發(fā)布了 BMS 模擬前端，他們稱之為堆疊電池前端。這個模擬部分基本上是一個鋰離子電池管理器 IC，可監(jiān)控多達 14 個串聯(lián)連接的電池。RAA489204 提供電池管理系統(tǒng)所需的所有功能，例如準(zhǔn)確的電池電壓和溫度監(jiān)控、電池平衡和廣泛的系統(tǒng)診斷。

該設(shè)備的一個相關(guān)特性是其集成的通信通道，這使得它能夠與電池組進行上下通信，只需簡單的過濾和隔離，并且在電池組的每一層都不需要控制器或單獨的通信芯片。典型配置包括一個通過 SPI 端口與主機微控制器通信的主 RAA489204，以及多達 29 個額外的 RAA489204 設(shè)備，這些設(shè)備通過強大的專有兩線菊花鏈連接在一起。在這種情況下，可以管理的單元總數(shù)等于 420。該通信系統(tǒng)非常靈活，可以通過電容器隔離、變壓器隔離或兩者的組合來實現(xiàn)。

堆疊式電池具有與電動汽車相同的格式，而且它們需要高壓電池。該設(shè)備的目標(biāo)應(yīng)用包括能源和存儲應(yīng)用，例如 UPS、基于電池的發(fā)電機、電動汽車、電動自行車和儲能系統(tǒng)。這使瑞薩電子能夠簡化儲能測試過程，因為該設(shè)備不需要滿足完整的汽車認證要求。

“我們從過去的經(jīng)驗中學(xué)到的一件事是，這些設(shè)備的固件非常復(fù)雜。編寫固件來管理一堆模擬部件上下的通信并不是一件容易的事”，瑞薩電子的發(fā)言人說。

因此，瑞薩公司采取了多項設(shè)計措施來簡化新零件。例如，許多保護功能都是在設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)的，而不必與控制器通信。這使得RAA489204能夠獨立應(yīng)對某些故障條件，例如開路。此外，簡化了通信協(xié)議，并提供了高安全特性。圖1顯示了設(shè)備框圖。它能夠在不到10ms的時間內(nèi)對112個電池進行測量和讀取所有電壓、溫度和診斷。

Figure 1： RAA489204 block diagram

如前所述，該設(shè)備背后的技術(shù)（主要針對儲能應(yīng)用）與汽車市場中使用的技術(shù)基本相同。最大的區(qū)別只是在制造和安全要求方面。汽車在制造過程中有特定的要求，這會增加零件的成本。

“從汽車到儲能，這項技術(shù)相當(dāng)便攜。我們能夠放棄的東西很少，而且我們不必徹底測試零件，就可以轉(zhuǎn)移到儲能。這樣可以節(jié)省一點成本，但在其他方面，所有這些應(yīng)用的電路基本相同，”瑞薩的發(fā)言人說。

為了簡化固件的編寫過程，瑞薩增加了電池組中位置的自動傳感，因此，對于每個數(shù)據(jù)包，微控制器都知道信息來自電池組中的哪里。通信信道本身變得更加健壯，因此沒有受到噪聲影響的大挑戰(zhàn)。由于較新的協(xié)議具有更強的抗噪聲能力，因此可以在每個電池組之間使用更長的通信路徑，而不會有太多的過程中發(fā)生混亂的風(fēng)險。

圖 2 顯示了典型的應(yīng)用圖。它包括一個作為獨立或主設(shè)備的設(shè)備（取決于監(jiān)控所有電池單元所需的 IC 數(shù)量），以及一個或多個設(shè)備（最多 30 個）通過堅固的兩線菊花鏈連接通信系統(tǒng)使用電容器或變壓器耦合在高達 1Mbps。

圖2：RAA489204應(yīng)用圖

“多年來，人們一直在抱怨的一件事是靜態(tài)電流。因此，我們已經(jīng)大大降低了靜態(tài)電流，同時提高了 ADC 的精度和功能安全能力”，瑞薩電子的發(fā)言人說。

任何事情都與消費者打交道，在故障檢測和確保測量單元的準(zhǔn)確性方面涉及許多要求。為了滿足一些功能安全要求，可能需要有一種兩級保護。在這種配置中，一次電池管理設(shè)備將是檢測和糾正故障的主要來源，而第二層故障保護提供了功能安全的基本標(biāo)準(zhǔn)要求。

新設(shè)備具有高集成度，包括電壓和溫度檢測以及高安全性通信協(xié)議。這種設(shè)備的一個相關(guān)特征是鋰離子電池平衡。當(dāng)電池被充電和放電時，每個電池收集和釋放電荷的能力的差異會導(dǎo)致電池具有不同的充電狀態(tài)。問題是鋰離子電池有一個不應(yīng)該充電的最大電壓，以及一個不應(yīng)該放電的最小電壓。最壞的情況發(fā)生在電池組中的一個電池處于最大電壓，而另一個電池處于最小電壓時，導(dǎo)致電池組無法正常充電或放電。RAA489204 提供內(nèi)部和外部平衡，

審核編輯：郭婷應(yīng)用包括能源和存儲應(yīng)用，例如 UPS、基于電池的發(fā)電機、電動汽車、電動自行車和儲能系統(tǒng)。這使瑞薩電子能夠簡化儲能測試過程，因為該設(shè)備不需要滿足完整的汽車認證要求。

“我們從過去的經(jīng)驗中學(xué)到的一件事是，這些設(shè)備的固件非常復(fù)雜。編寫固件來管理一堆模擬部件上下的通信并不是一件容易的事”，瑞薩電子的發(fā)言人說。

因此，瑞薩公司采取了多項設(shè)計措施來簡化新零件。例如，許多保護功能都是在設(shè)備內(nèi)實現(xiàn)的，而不必與控制器通信。這使得RAA489204能夠獨立應(yīng)對某些故障條件，例如開路。此外，簡化了通信協(xié)議，并提供了高安全特性。圖1顯示了設(shè)備框圖。它能夠在不到10ms的時間內(nèi)對112個電池進行測量和讀取所有電壓、溫度和診斷。

Figure 1: RAA489204 block diagram

如前所述，該設(shè)備背后的技術(shù)（主要針對儲能應(yīng)用）與汽車市場中使用的技術(shù)基本相同。最大的區(qū)別只是在制造和安全要求方面。汽車在制造過程中有特定的要求，這會增加零件的成本。

“從汽車到儲能，這項技術(shù)相當(dāng)便攜。我們能夠放棄的東西很少，而且我們不必徹底測試零件，就可以轉(zhuǎn)移到儲能。這樣可以節(jié)省一點成本，但在其他方面，所有這些應(yīng)用的電路基本相同，”瑞薩的發(fā)言人說。

為了簡化固件的編寫過程，瑞薩增加了電池組中位置的自動傳感，因此，對于每個數(shù)據(jù)包，微控制器都知道信息來自電池組中的哪里。通信信道本身變得更加健壯，因此沒有受到噪聲影響的大挑戰(zhàn)。由于較新的協(xié)議具有更強的抗噪聲能力，因此可以在每個電池組之間使用更長的通信路徑，而不會有太多的過程中發(fā)生混亂的風(fēng)險。

圖 2 顯示了典型的應(yīng)用圖。它包括一個作為獨立或主設(shè)備的設(shè)備（取決于監(jiān)控所有電池單元所需的 IC 數(shù)量），以及一個或多個設(shè)備（最多 30 個）通過堅固的兩線菊花鏈連接通信系統(tǒng)使用電容器或變壓器耦合在高達 1Mbps。

圖2：RAA489204應(yīng)用圖

“多年來，人們一直在抱怨的一件事是靜態(tài)電流。因此，我們已經(jīng)大大降低了靜態(tài)電流，同時提高了 ADC 的精度和功能安全能力”，瑞薩電子的發(fā)言人說。

任何事情都與消費者打交道，在故障檢測和確保測量單元的準(zhǔn)確性方面涉及許多要求。為了滿足一些功能安全要求，可能需要有一種兩級保護。在這種配置中，一次電池管理設(shè)備將是檢測和糾正故障的主要來源，而第二層故障保護提供了功能安全的基本標(biāo)準(zhǔn)要求。

新設(shè)備具有高集成度，包括電壓和溫度檢測以及高安全性通信協(xié)議。這種設(shè)備的一個相關(guān)特征是鋰離子電池平衡。當(dāng)電池被充電和放電時，每個電池收集和釋放電荷的能力的差異會導(dǎo)致電池具有不同的充電狀態(tài)。問題是鋰離子電池有一個不應(yīng)該充電的最大電壓，以及一個不應(yīng)該放電的最小電壓。最壞的情況發(fā)生在電池組中的一個電池處于最大電壓，而另一個電池處于最小電壓時，導(dǎo)致電池組無法正常充電或放電。RAA489204 提供內(nèi)部和外部平衡，

審核編輯：郭婷