鋰電電動車充電系統和電池管理系統的一般性方案和參數研究

姚若亞 潘德武（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 100000）

鋰電電動車充電系統和電池管理系統的一般性方案和參數研究

姚若亞 潘德武（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 100000）

可充電鋰電池在能量密度、外形靈活性和制造技術成熟使其應用日益廣泛，正逐漸成為電動車、自行設備和可移動設備的主力電池種類。鋰電池充 放電的復雜性、高能量密度和高能量、應用設備的多樣性以及采用可充電鋰電池的設備更多用于家用和商用、由非專業人員使用等特點，決定了充電系統和電池管理系統（BMS）的復雜性。充電系統和電池管理系統無論是從邏輯意義上還是從物理存在都有很多交叉，本文通過從邏輯和物理上進行分隔，從而設計一個充電系統和電池管理系統，并根據不同分隔的需要進行安全設計。

物理分隔；電池管理；電量計量

1.邏輯分隔和物理分割

電池管理系統從廣義上講可以包括對充放電的全過程操控的管理系統。從工程實現的角度出發，至少需要把應用系統從邏輯意義上分割為安全類系統和任務執行類系統，進一步可分解為電池管理系統、負載管理系統、設備操控系統和充電系統。物理分隔則需要遵守故障分離、安裝關系等原則決定可以把那些部分放在一起和必須把哪些部分分開放置。

電池管理系統分解為電池保護系統、電池測量系統和電池均衡系統。電池保護系統則進一步地分解為單電池保護和電池組保護。單電池保護包括過充監視、過放監視、溫度監視；電池組保護包括放電監視、充電監視、單電池失衡監視和短路保護。

部件管理服務于任務執行。除非確定導致部件出現嚴重危害失效，部件本身不能因其安全擔憂決定其是否退出服務。不能確定嚴重危害失效時部件需要提請任務執行部分，由任務執行部分決定其是否可退出服務。安全類系統獨立于任務執行類系統，其優先程度由其保全目標決定。這些邏輯系統大多可由單一的物理系統實現，但至少電池的一次保護部分和二次保護部分需要分屬于不同的物理分割，在發生單個物理故障時仍有能力保護電池免于嚴重危害失效。以SGM41006系列產品和SGM41110系列產品為例說明這種物理分隔，這兩個各自獨立完成其任務。

SGM41006為可堆疊級聯的3～6串電池二次保護熔絲控制電路，它在監測到單節電池出現電壓過高后驅動熔絲燒毀，強制分斷充電路徑；其行為完全不受其它電路的約束。SGM41110則是包括了6～15串可堆疊級聯、可自主充電尾段旁路均衡、內短路預警、單電池電壓采樣輸出和充電通道開關和保護、伺服通道開關和保護和功率通道開關和保護的多個邏輯和物理部分的單一物理分割設計。SGM41110系列產品的功能和應用示意見圖 1（圖中同時表達了其與嵌入式控制器的連接和多個SGM41110系列產品堆疊級聯時的連接）。

圖1 SGM41111系列的應用和功能示意

2.電池管理系統與電量計量和電池狀態評估

電池管理系統中的大部分邏輯部分和物理構成與電量計量有關。大多情況下用戶更關心特定電池在其特定系統中的行為，較少關心電池本身的電量計量；系統設計則更關系其在系統中的優化，如何快速充電、延長電池壽命和提高其安全性。以用戶的關切程度排序，電池管理系統需要提供3組需求相對獨立的電池系統參數。

（1）電池在系統行為的預期：包括可用電量估計、續航時間估計、是否充滿或枯竭。

（2）電池系統的良好程度：相對預定或預期性能的完好程度，如最大出力和總出力的保持。

（3）電池容量和最大充放電能力變化：包括現存容量和當前內阻以及相對于標稱的變化。

這3組參數內部是相互關聯但不可相互替代的。電池容量及其最大充放電能力需要采用電池供應商的測量方法評估；電池系統良好程度需要以系統設計提供的方法評估；在系統行為預期則需要根據當前系統實況評估。

Yevgen Barsukov和John Qian研究和推廣的開路電壓（即OCV）法和阻抗追蹤（Impedance tracking）法構成了大多數現代用戶電池電量計量的基礎方法，在這個方法中庫侖積分不是必需的。所謂用戶電池電量計量是相對于電池供應商的電池測量電量計量的說法，電池測量計量側重于電荷電勢存儲過程本身，庫侖積分是必須的電路環節。開路電壓法的基礎是對可充電鋰電池開路狀態下端電壓與其相對荷電程度（即SOC，荷電程度指當前所荷載電量相對于從充滿到充分放電的總放電電量的比例關系）的穩定的、與電池老化基本無關的關系的測試發現，依據這個發現可以利用電池穩定的無載電壓得到其荷電程度。開路電壓法是對電池容量測量的改進，與負載行為無關，開路電壓法配合阻抗追蹤法，引入與充放電電流相關的參數后才具備了實用性。

一般使用條件下電池系統的退化是一個慢過程、以其最近的表現預期其當前的行為偏差最小。電池模型包括一個物理電容和一個并聯的化學電容，其充放電都表現出復雜的弛豫過程，觀察和預期電池行為需要在一定時間段內記錄其激勵變化。基于模仿計量建模激勵追蹤的電池行為預估（SGMBESTTM，即Simulated Gauging Modeling for Battery Estimation with Stimulation Tracking）是一項由圣邦微電子提出的、開放引用的與開路電壓和阻抗跟蹤法不同的電池電量計量算法。該算法主要包括4各方面。

第一，利用記錄的最近的電壓變化和電池的弛豫時間參數推算穩定的電池端電壓，利用電池穩定端電壓和穩定端電壓變化率索引得到電池的荷電程度。參考圖 2，用來取得荷電程度值的α曲面是在電池開路電壓與荷電程度曲線ε的展開曲面Ε的基礎上傾斜拉伸得到的。引入穩定端電壓變化率同時包括了電池即時容量、即時相對容量的放電速度和電池內阻的影響，比開路電壓和阻抗跟蹤有更強的約束。

第二，利用在近期記錄的電壓變化數據中尋找典型的狀態作為種子狀態及時修正α曲面和和電池的弛豫參數。較長時間的穩定充、放狀態用來修正α曲面的傾斜和拉伸，明確的突變如開機、關機，用來修正電池的弛豫參數。

第三，利用近期記錄的電壓變化數據把系統負載分解為恒功率分量、恒流分量和阻性分量，確定當前負載在α曲面上的爬行軌跡和爬行速度，預估續航時間。

第四，利用近期記錄的電壓變化中可知電流的片段推算電池的即時容量和內阻。

圖2 利用穩定端電壓和端電壓變化率索引的荷電程度

3.充電電路物理分隔及其安全設計方案

交流電源的充電電路物理分隔需要同時考慮合理、經濟和安全因素。利用獨立的交流—直流變換器向電池提供與一次電源隔離的充電電源，把電源的安全問題與電池設備安全問題分離，減少設備設計壓力和利用專業分工提高供應選擇靈活性。如果更進一步像手機一樣統一充電電源則會產生廣泛的社會影響、節約社會資源。交流電源充電電路從功能上分解為交流-直流變換部分、連接部分和充電管理部分。以國標YD/T1591和歐洲OMTP標準為例，其交流直流變換器為功率有限的直流穩壓輸出電源，利用電纜連接到手機后、由手機內的充電電路再次控制和調節輸出到電池的電流和電壓完成充電；手機里面廣泛使用的快速充電規格，如高通推廣的QC系列快速充電方案和USB IF組織推廣的PD電源輸送方案，也采用類似的電路構造，把一個設備要求的電壓利用電纜連接到手機。目前市面上電動車充電器，進一步包括OPPO 的VOOCTM方案和MTK的Pump ExpressTM方案，采用了由交流—直流變換器直接產生恒流恒壓輸出，利用電纜連接到電池設備完成充電的電路構造，與電動車充電器利用電池保護電路防止不匹配的充電電壓對電池過充不同，VOOCTM方案和Pump ExpressTM方案的設備側發送信號控制交流-直流變換器的輸出電壓。VOOCTM和Pump ExpressTM只在確認交流—直流變換器的配套后才啟用更大功率的充電，如果不能確認配套則只在默認為安全的、較小的功率下充電，保證了有限功能意義上的互換性和通用性。

電纜和連接接觸在較大功率下導致安全風險，例如連接觸點在接觸不良時通過大電流導致熔接，以及導線虛接、虛短旁路導致燒熔和打火。除了PD方案要求源和負載側相互知曉供應和需求能力外，前面提及方案均沒有涉及連接路徑意外導致安全風險的監視和處置。包括Apple快充方案在內，這些方案局限于電纜能力和電源能力的配套認證，都沒有制定電纜及連接狀態的隨時檢查的部分。UL2054（家用和商用電池安全標準）和UL60950（信息技術設備安全：一般要求）明確了安全低壓（SELV）的上限為60Vdc和有限功率電源（LPS）的輸出電流為8A或(1000/電壓) A。設計中引用UL標準的限制可以簡化對安全問題的研究和驗證，需要優先考慮采用作為上限限制。

圖3 定制—監督安全連接方案

參考圖 3，定制—監督安全連接方案（SSSGMTM，即Subscribing Supervising Safe Gearing Management）為圣邦微電子推廣的、開放的充電及連接方案。這個方案利用在從源側儲能電容到負載側退耦電容之間的連線上的脈沖序列完成：1.源和負載之間電壓電流基準的校準；2.定制源輸出電壓、限流和上限電壓；3.報告負載看到的電壓和電流。在這個方案中電源負責校準其電壓電流基準到負載的電壓電流基準、產生默認電壓或者負載側定制的電壓、限流值和上限電壓、監督負載的實受電壓和電流，以及根據預定參數對路徑和連接保護；負載側負責要求定制供應電壓、限流和上限電壓、校準電壓和電流，和報告實受電壓和電流。這個方案既包括了對源和負載的保護和限制的溝通，也包括了對路徑的監督和保護。圖中用互感器表達的電流采樣和電流注入元件在工程實現中可以由扼

流圈和開關電路實現。

圖4 控制脈沖和電流電壓定制過程

圖 4左邊部分解釋如何用脈沖序列的分頻周期和相移表達兩個數據。Tv是任何隔1個脈沖的間隔時間，用來表達電壓值。較長的周期時間代表更高的電壓，但超過預期的間隔導致電壓復位到安全的默認值；采用與間隔成正比的表達使得可能的脈沖干擾只引起電壓下降。相鄰的間隔時間比例關系用來表達電流。等間距的脈沖序列代表0電流，偏離等間距越大代表越大的電流。右邊部分解釋電壓、電流校準，電壓電流報告和電壓電流定制的情況。連線電壓從低于欠壓閾值起（相當于初次建立連接或有電源主動啟動一次冷復位時），負載側依次按實受電壓傳送電壓信息和吸入特定電流和傳送電流信息，供源側校準電壓和電流到負載側的基準。電流由負載側控制降低到零電流閾值以下后，負載側向源側傳送電壓和電流定制要求。其余時間負載側持續報告實受電壓和電流，源側負責檢查實發電壓和電流與實受值的差異，完成連接情況監督和相應實施保護。計時和占空比無論是采用數字方案還是模擬方案，都較易處理和實現。

4.充電用交流—直流變換器及其安全保障

具有廣泛市場的家用商用電源標準只有同時安全、簡便、易行才可能被市場接受。圖 5是圣邦微電子提出的交流—直流變換器IV輸出范圍建議規格的示意。這個建議規格與圣邦微電子“定制—監督安全連接方案”并不是對應關系，而是更具一般性和通用性的、注重安全和一般性的，易于采用常見電源電路實現的充電需求的電源規格。該規格的特性包括。

（1）空載和輕載情況下僅維持安全的5V電壓輸出和限制輸出電流不超過100mA。

（2）在特定電壓時通過特定的電流窗口和電流變化轉入充電輸出IV范圍。

（3）充電輸出IV為符合充電要求的限壓限流特性，并且在較低電壓時采用較低限流、以配合電池預充的低電流要求。

（4）限制在限壓狀態輸出的累計時間，配合鋰電池不可長期在最高電壓下浮充的要求。

這個規格不包括對連線和接觸情況的監視、也不包括對電流電壓的定制，以適合與常見的利用電池過壓保護完成充電控制的設計。在這個常見設計中，充電期間由電源提供限流能力，電池電壓上升到充滿電壓后電池組的一次保護電路斷開充電路徑、完成充電。

上述規格進一步包括安全地啟動不同輸出電壓限制的建議規定。這個規定與定制電壓和電流沖突，其目的在于配合電池包設計限制電池保護后需要承受的最高電壓。PD/USB IF、UL2054、GB31241、GB18287和UL60950對電池保護電路耐壓和按電池電壓范圍的安全要求提出了＜5.5V、20V～30V和30V～60V共3個電壓范圍段。如要保證電源安全地配用不同電壓段的電池，需要在啟用高電壓輸出時核實電池的電壓限制。參考圖 6，當輸出達到某個電壓范圍的上限時負載需要降低電流到IV變化窗口規定的范圍，這時電源降低限流、輸出試圖提升一個有限的電壓增量；如果電壓提升后電流保持在IV窗口內、啟用下一電壓和電流限制，或者電壓因電流升高無法提升預期點電壓增量；電流進一步降低進入保持狀態。

圖5 圣邦微電子建議的充電器IV輸出范圍標準

圖6 啟動不同電壓輸出范圍的建議規定

如果希望像VOOCTM和Pump ExpressTM，或者QC/QTI、PD/USB IF和SSSGMTM，利用負載對電源的協調取得增大的功率輸送能力，滿足上述建議規定的電源仍需要增加滿足相關控制的部分。

編輯：傅金睿