锂电电动车充电系统和电池管理系统的一般性方案和参数研究

姚若亚 潘德武（圣邦微电子（北京）股份有限公司，北京 100000）

锂电电动车充电系统和电池管理系统的一般性方案和参数研究

姚若亚 潘德武（圣邦微电子（北京）股份有限公司，北京 100000）

可充电锂电池在能量密度、外形灵活性和制造技术成熟使其应用日益广泛，正逐渐成为电动车、自行设备和可移动设备的主力电池种类。锂电池充 放电的复杂性、高能量密度和高能量、应用设备的多样性以及采用可充电锂电池的设备更多用于家用和商用、由非专业人员使用等特点，决定了充电系统和电池管理系统（BMS）的复杂性。充电系统和电池管理系统无论是从逻辑意义上还是从物理存在都有很多交叉，本文通过从逻辑和物理上进行分隔，从而设计一个充电系统和电池管理系统，并根据不同分隔的需要进行安全设计。

物理分隔；电池管理；电量计量

1.逻辑分隔和物理分割

电池管理系统从广义上讲可以包括对充放电的全过程操控的管理系统。从工程实现的角度出发，至少需要把应用系统从逻辑意义上分割为安全类系统和任务执行类系统，进一步可分解为电池管理系统、负载管理系统、设备操控系统和充电系统。物理分隔则需要遵守故障分离、安装关系等原则决定可以把那些部分放在一起和必须把哪些部分分开放置。

电池管理系统分解为电池保护系统、电池测量系统和电池均衡系统。电池保护系统则进一步地分解为单电池保护和电池组保护。单电池保护包括过充监视、过放监视、温度监视；电池组保护包括放电监视、充电监视、单电池失衡监视和短路保护。

部件管理服务于任务执行。除非确定导致部件出现严重危害失效，部件本身不能因其安全担忧决定其是否退出服务。不能确定严重危害失效时部件需要提请任务执行部分，由任务执行部分决定其是否可退出服务。安全类系统独立于任务执行类系统，其优先程度由其保全目标决定。这些逻辑系统大多可由单一的物理系统实现，但至少电池的一次保护部分和二次保护部分需要分属于不同的物理分割，在发生单个物理故障时仍有能力保护电池免于严重危害失效。以SGM41006系列产品和SGM41110系列产品为例说明这种物理分隔，这两个各自独立完成其任务。

SGM41006为可堆叠级联的3～6串电池二次保护熔丝控制电路，它在监测到单节电池出现电压过高后驱动熔丝烧毁，强制分断充电路径；其行为完全不受其它电路的约束。SGM41110则是包括了6～15串可堆叠级联、可自主充电尾段旁路均衡、内短路预警、单电池电压采样输出和充电通道开关和保护、伺服通道开关和保护和功率通道开关和保护的多个逻辑和物理部分的单一物理分割设计。SGM41110系列产品的功能和应用示意见图 1（图中同时表达了其与嵌入式控制器的连接和多个SGM41110系列产品堆叠级联时的连接）。

图1 SGM41111系列的应用和功能示意

2.电池管理系统与电量计量和电池状态评估

电池管理系统中的大部分逻辑部分和物理构成与电量计量有关。大多情况下用户更关心特定电池在其特定系统中的行为，较少关心电池本身的电量计量；系统设计则更关系其在系统中的优化，如何快速充电、延长电池寿命和提高其安全性。以用户的关切程度排序，电池管理系统需要提供3组需求相对独立的电池系统参数。

（1）电池在系统行为的预期：包括可用电量估计、续航时间估计、是否充满或枯竭。

（2）电池系统的良好程度：相对预定或预期性能的完好程度，如最大出力和总出力的保持。

（3）电池容量和最大充放电能力变化：包括现存容量和当前内阻以及相对于标称的变化。

这3组参数内部是相互关联但不可相互替代的。电池容量及其最大充放电能力需要采用电池供应商的测量方法评估；电池系统良好程度需要以系统设计提供的方法评估；在系统行为预期则需要根据当前系统实况评估。

Yevgen Barsukov和John Qian研究和推广的开路电压（即OCV）法和阻抗追踪（Impedance tracking）法构成了大多数现代用户电池电量计量的基础方法，在这个方法中库仑积分不是必需的。所谓用户电池电量计量是相对于电池供应商的电池测量电量计量的说法，电池测量计量侧重于电荷电势存储过程本身，库仑积分是必须的电路环节。开路电压法的基础是对可充电锂电池开路状态下端电压与其相对荷电程度（即SOC，荷电程度指当前所荷载电量相对于从充满到充分放电的总放电电量的比例关系）的稳定的、与电池老化基本无关的关系的测试发现，依据这个发现可以利用电池稳定的无载电压得到其荷电程度。开路电压法是对电池容量测量的改进，与负载行为无关，开路电压法配合阻抗追踪法，引入与充放电电流相关的参数后才具备了实用性。

一般使用条件下电池系统的退化是一个慢过程、以其最近的表现预期其当前的行为偏差最小。电池模型包括一个物理电容和一个并联的化学电容，其充放电都表现出复杂的弛豫过程，观察和预期电池行为需要在一定时间段内记录其激励变化。基于模仿计量建模激励追踪的电池行为预估（SGMBESTTM，即Simulated Gauging Modeling for Battery Estimation with Stimulation Tracking）是一项由圣邦微电子提出的、开放引用的与开路电压和阻抗跟踪法不同的电池电量计量算法。该算法主要包括4各方面。

第一，利用记录的最近的电压变化和电池的弛豫时间参数推算稳定的电池端电压，利用电池稳定端电压和稳定端电压变化率索引得到电池的荷电程度。参考图 2，用来取得荷电程度值的α曲面是在电池开路电压与荷电程度曲线ε的展开曲面Ε的基础上倾斜拉伸得到的。引入稳定端电压变化率同时包括了电池即时容量、即时相对容量的放电速度和电池内阻的影响，比开路电压和阻抗跟踪有更强的约束。

第二，利用在近期记录的电压变化数据中寻找典型的状态作为种子状态及时修正α曲面和和电池的弛豫参数。较长时间的稳定充、放状态用来修正α曲面的倾斜和拉伸，明确的突变如开机、关机，用来修正电池的弛豫参数。

第三，利用近期记录的电压变化数据把系统负载分解为恒功率分量、恒流分量和阻性分量，确定当前负载在α曲面上的爬行轨迹和爬行速度，预估续航时间。

第四，利用近期记录的电压变化中可知电流的片段推算电池的即时容量和内阻。

图2 利用稳定端电压和端电压变化率索引的荷电程度

3.充电电路物理分隔及其安全设计方案

交流电源的充电电路物理分隔需要同时考虑合理、经济和安全因素。利用独立的交流—直流变换器向电池提供与一次电源隔离的充电电源，把电源的安全问题与电池设备安全问题分离，减少设备设计压力和利用专业分工提高供应选择灵活性。如果更进一步像手机一样统一充电电源则会产生广泛的社会影响、节约社会资源。交流电源充电电路从功能上分解为交流-直流变换部分、连接部分和充电管理部分。以国标YD/T1591和欧洲OMTP标准为例，其交流直流变换器为功率有限的直流稳压输出电源，利用电缆连接到手机后、由手机内的充电电路再次控制和调节输出到电池的电流和电压完成充电；手机里面广泛使用的快速充电规格，如高通推广的QC系列快速充电方案和USB IF组织推广的PD电源输送方案，也采用类似的电路构造，把一个设备要求的电压利用电缆连接到手机。目前市面上电动车充电器，进一步包括OPPO 的VOOCTM方案和MTK的Pump ExpressTM方案，采用了由交流—直流变换器直接产生恒流恒压输出，利用电缆连接到电池设备完成充电的电路构造，与电动车充电器利用电池保护电路防止不匹配的充电电压对电池过充不同，VOOCTM方案和Pump ExpressTM方案的设备侧发送信号控制交流-直流变换器的输出电压。VOOCTM和Pump ExpressTM只在确认交流—直流变换器的配套后才启用更大功率的充电，如果不能确认配套则只在默认为安全的、较小的功率下充电，保证了有限功能意义上的互换性和通用性。

电缆和连接接触在较大功率下导致安全风险，例如连接触点在接触不良时通过大电流导致熔接，以及导线虚接、虚短旁路导致烧熔和打火。除了PD方案要求源和负载侧相互知晓供应和需求能力外，前面提及方案均没有涉及连接路径意外导致安全风险的监视和处置。包括Apple快充方案在内，这些方案局限于电缆能力和电源能力的配套认证，都没有制定电缆及连接状态的随时检查的部分。UL2054（家用和商用电池安全标准）和UL60950（信息技术设备安全：一般要求）明确了安全低压（SELV）的上限为60Vdc和有限功率电源（LPS）的输出电流为8A或(1000/电压) A。设计中引用UL标准的限制可以简化对安全问题的研究和验证，需要优先考虑采用作为上限限制。

图3 定制—监督安全连接方案

参考图 3，定制—监督安全连接方案（SSSGMTM，即Subscribing Supervising Safe Gearing Management）为圣邦微电子推广的、开放的充电及连接方案。这个方案利用在从源侧储能电容到负载侧退耦电容之间的连线上的脉冲序列完成：1.源和负载之间电压电流基准的校准；2.定制源输出电压、限流和上限电压；3.报告负载看到的电压和电流。在这个方案中电源负责校准其电压电流基准到负载的电压电流基准、产生默认电压或者负载侧定制的电压、限流值和上限电压、监督负载的实受电压和电流，以及根据预定参数对路径和连接保护；负载侧负责要求定制供应电压、限流和上限电压、校准电压和电流，和报告实受电压和电流。这个方案既包括了对源和负载的保护和限制的沟通，也包括了对路径的监督和保护。图中用互感器表达的电流采样和电流注入元件在工程实现中可以由扼

流圈和开关电路实现。

图4 控制脉冲和电流电压定制过程

图 4左边部分解释如何用脉冲序列的分频周期和相移表达两个数据。Tv是任何隔1个脉冲的间隔时间，用来表达电压值。较长的周期时间代表更高的电压，但超过预期的间隔导致电压复位到安全的默认值；采用与间隔成正比的表达使得可能的脉冲干扰只引起电压下降。相邻的间隔时间比例关系用来表达电流。等间距的脉冲序列代表0电流，偏离等间距越大代表越大的电流。右边部分解释电压、电流校准，电压电流报告和电压电流定制的情况。连线电压从低于欠压阈值起（相当于初次建立连接或有电源主动启动一次冷复位时），负载侧依次按实受电压传送电压信息和吸入特定电流和传送电流信息，供源侧校准电压和电流到负载侧的基准。电流由负载侧控制降低到零电流阈值以下后，负载侧向源侧传送电压和电流定制要求。其余时间负载侧持续报告实受电压和电流，源侧负责检查实发电压和电流与实受值的差异，完成连接情况监督和相应实施保护。计时和占空比无论是采用数字方案还是模拟方案，都较易处理和实现。

4.充电用交流—直流变换器及其安全保障

具有广泛市场的家用商用电源标准只有同时安全、简便、易行才可能被市场接受。图 5是圣邦微电子提出的交流—直流变换器IV输出范围建议规格的示意。这个建议规格与圣邦微电子“定制—监督安全连接方案”并不是对应关系，而是更具一般性和通用性的、注重安全和一般性的，易于采用常见电源电路实现的充电需求的电源规格。该规格的特性包括。

（1）空载和轻载情况下仅维持安全的5V电压输出和限制输出电流不超过100mA。

（2）在特定电压时通过特定的电流窗口和电流变化转入充电输出IV范围。

（3）充电输出IV为符合充电要求的限压限流特性，并且在较低电压时采用较低限流、以配合电池预充的低电流要求。

（4）限制在限压状态输出的累计时间，配合锂电池不可长期在最高电压下浮充的要求。

这个规格不包括对连线和接触情况的监视、也不包括对电流电压的定制，以适合与常见的利用电池过压保护完成充电控制的设计。在这个常见设计中，充电期间由电源提供限流能力，电池电压上升到充满电压后电池组的一次保护电路断开充电路径、完成充电。

上述规格进一步包括安全地启动不同输出电压限制的建议规定。这个规定与定制电压和电流冲突，其目的在于配合电池包设计限制电池保护后需要承受的最高电压。PD/USB IF、UL2054、GB31241、GB18287和UL60950对电池保护电路耐压和按电池电压范围的安全要求提出了＜5.5V、20V～30V和30V～60V共3个电压范围段。如要保证电源安全地配用不同电压段的电池，需要在启用高电压输出时核实电池的电压限制。参考图 6，当输出达到某个电压范围的上限时负载需要降低电流到IV变化窗口规定的范围，这时电源降低限流、输出试图提升一个有限的电压增量；如果电压提升后电流保持在IV窗口内、启用下一电压和电流限制，或者电压因电流升高无法提升预期点电压增量；电流进一步降低进入保持状态。

图5 圣邦微电子建议的充电器IV输出范围标准

图6 启动不同电压输出范围的建议规定

如果希望像VOOCTM和Pump ExpressTM，或者QC/QTI、PD/USB IF和SSSGMTM，利用负载对电源的协调取得增大的功率输送能力，满足上述建议规定的电源仍需要增加满足相关控制的部分。

编辑：傅金睿