面向电动工具和电动自行车的TI设计方案(二)

另外一个就是

对电池温度的一个控制热管理来说

不管是在手机还是在这个电动自行车

在那个现在的电动汽车上面

热管理都是非常难的一个事情

因为电池体积大了之后

他的这个热的这个模型

需要去做一个系统的考量

然后去做这个电池整个热模型的分析

去做一个系统上的一个设计

我想问题就是说了这么多模式的话

到底有什么样的办法来

防止这些灾难性的故障发生呢

这个这些故障发生的话

我们可以从它产生的原因去做分析

然后再根据这些原因

去一步步的去做一个我们电池管理

能够去做怎样的一个保护

所以下面我会去介绍到这个

我们电池保护上面

能够去针对这些故障发生的原因

去做怎样的一个保护

我们可以一条来分析

如果是电池内部的这样子的一个短路的话

其实我们是从 BMS 管理上来说

它是没有办法去做到对电芯本体的一个

包括从这方面来说

需要去我们和那个电池设计的一个电芯厂家

然后它的一些安全认证部门

去做这样子的一个合作

来解决电芯本体的这样子故障发生的可能性

我稍微插一句

就是从电池内短路的角度讲的话

的确因为内短路的主要的问题

是他是在电池内部的

然后你没有元器件是直接去监控它的电流

而且它电流很小的情况下

也不太容易监控

但是 TI 现在未来会推出一些产品

电量计的高端的这个应用产品的话

希望能够在这方面的话

能够解决这个问题

基本上就是说能够非常精准的

去检测到早期的电池短路的情况

这个部分的话是看

可能会在 17 年左右

会有这样的一个技术出现

会有这样的一个技术出现

我们在这个对电池本体的一些研究方面

会去根据一些电池内部的一个特性

或者它的性能的变化

去能够去预估它内部的一些可能发生的

一些存在潜在风险

那下面可以看到我们在对外部

和这个外部的一些充放电的一个系统上的

一些故障原因的话

会针对性地利用 BMS 系统的一些

上的一个设计来保证不会发生这样子的故障

那首先是如何去处理这个过充和过放

那首先的话如果是要知道这个电池的

一个过充和放状态

必须去实时的监控电池的一个电压状态

那我们会在这个 BMS 这个电池上

去放一个监控芯片

那去用模拟器件也好

数字 ADC 也好

去直接去得到我这个电芯当前的一个电压

那这个的话可以看到这边图上

是简单有两个事例是一个比较器

然后 reference 去

做这样子过压和欠压的一个比较

那现在的话我们也是有一些新的

更加高度集成化的产品

会根据它的一个 ADC 实时采集的这个电压

然后去做一个过压欠压的一个比较判断

如果是硬件的方法的话

它的这个 OV 和 UV 的设置

会是比较困难的一个点

因为它可能会存在一些漂移

或者量产上的一些问题

那如果是在数字化的方面的话

我们能够很方便的去做一个校准

和去做一些配置

那对于这个采集方面

可以去做到对电池电压

过充和过放的一个判断

那当我们检测到这个过充过放之后

需要去保护这个电池

仅仅去告诉系统说这个

电池处于过充和过放状态是不够的

电池处于过充和过放状态是不够的

还需要说我主动的去能够啊切断这个

整个充放电的回路

能够去帮助这个电池能够

处在一个安全的状态

那我们会是在这个电池的回路上面

充放电回路上面去增加两个

MOS 管去做这个回路的一个切断的控制

有个问题

就是这个 MOS 的话有高边和低边的考虑

这个我们现在画图上是放在低边的

但通常来说

我们看到不同各样的设计

他们有放在高边放在低边

他们有放在高边放在低边

甚至说有是那种分口的这种设计

就是冲放电口不是同一个充电口

所以在这种不同的考虑上面

我们可能会需要说

首先一个知道我系统的一个接口的定义

我看看自己适不适合分口的

究竟是需要说有放电口还是要有独立的充电口

还是说这两口是合并在一起的

那根据这个状态我们再去考虑

说我们只需要高边还是放在低边

因为放在低边可以看到显而易见的优点

就是说它的这个可以选取两个 N-MOS

对它的整个系统成本来说是比较优化的

另外一个就是说它的驱动来说

是比较简单的

一般来说 N-MOS 的驱动

是从电芯直接取电

然后给这个 N-MOS 的基极去做驱动的

但问题是来说一般来说你的电芯堆成模组之后

他的这个电压可能会出现一个波动

比如三节电池可能它电压在 6V-9V 之间

所以这个基极驱动的话

会是存在一个波动状态

然后当然另外一个就是我们会考虑

如果是放在高边的话

那高边的问题就是说如果是高边

会选择一个 P-MOS 去做

一个这样子的一个设计

它的驱动会比较简单

但是它的 P-MOS 成本会比较高了

另外就是高边可以选择 N-MOS

需要额外的一个驱动器

来去做这样子的一个 N-MOS 的驱动

那下面的话我们也会去介绍一下

高边驱动的一些设计

这个就是在保护这个过充

和过放上面的一些处理

那这个过充电压和阀值

和这个延迟时间的一些设计了

通常来说我们会有设计一个滞环去

做这个过充点的一个判断

当这个电池电压达到这个过充点以上之后

并且有一个延时时间

去做一个延时的一个保护

然后再去触发

它的释放条件也是有一个滞环

置以下之后才会去做一个释放条件

甚至是有些它需要说

检测到你的充电器移除之后

然后再去做这个释放的一个动作

过放也是一样

它也是需要去做一个回滞和延迟时间

也有些时候会需要去检测

我的负载是否移除

当我检测到负载移除

我才会去做这个释放的动作

然后在对于过电压保护之后

还是需要去对这个电池放电能力

去做一个保护

那就是需要引入我们的电流的一个检测

通常来说是在这个电芯回路上

会串一个采样电阻

去做这样这个电流的一个保护

那电流保护就涉及到一个电流的

一个保护的一个速度以及它的一个

就是保护触发的一个机制了

通常来说我们在做电流保护的时候

会需要多极的一个保护

有可能有一级过流有二级过流

甚至是短路过流三级这样子的一个

多级的一个结构

去一层一层的去保护我这个电芯

保护外部的一些器件

不会被这个大电流损坏

那这个就是过流的一个简单的介绍了

也是一个有一个阈值也就是时间的这样子的

也是一个有一个阈值也就是时间的这样子的

一个参数的考虑上

这个也是要根据系统的上考虑去设计

那通常来说我们可以看下一页

这边电压电流保护阈值

和这个时间的一些关系了

可以看到它是一个反函数的关系

当我设定的这个保护电流越高的时候

我需要的这个保护的这个

反应时间要非常的短

这样子才能够对我的

整个系统去做一个保护

可以看到这边可能分了有

一级二级三级

甚至是一个短路

这样子的一个过流和保护

有一个问题啊

就是这些这些电流保护的

这个不同的阈值之间的话

他们是有一个时间上面的

和这个绝对值的一个关系

一个差异的那是为什么说中间的

那个有一层叫做二级的永久性的过流保护

对这个是过流保护它的一些切断的机制上

是会有不一样的

有些过流保护说是可恢复性的

它阈值比较低

可能不会对系统或者是我的

本地硬件做出损伤

它可能是切断了这个 MOS 管的开通关断之后

然后做一个保护

而如果是永久性的这样的这个保护的话

有一些电池系统上会去串联一个熔断器

如果是这个熔断器断了之后

那基本上这个电芯是处于不可恢复

这样的一个状态了

我这边稍微补充一点

就是说根据我的经验的话

一般就是说如果短路保护

这种电流比较大的保护

一般是要非常迅速的响应的

可能会在微秒级甚至是毫秒级去进行响应

一般这种可能还是需要它就能够恢复的

那反而是那种就是稍微低电流稍微低一点

比如说你通常的应用是五安培的左右的话

但是你超过大概十安培了

但是你超过大概十安培了

举个例子

那实际上经过比较长的时间的话

可能会有比较强的热效应

这样的这样的东西

如果他屡次进行出现这样的保护的话

可能在我们的这个电量计

或者这个设计里面的话会有一个选项

让客户可以选择

就是它可以永久性地让这个器件

去关断为了确保这个产品的安全

这多次触发之后有一个触发的下限值

对就是不能频繁的去触发

下面就是对于温度的一个保护了

对于温度来说

会需要在系统去增加这个 NTC

在有些地方也可能是有 PTC

这样一个需求

这样子的一个温度采集的一个电阻

然后去做这样子的一个温度的保护

那可以对这个整个电池

如果是堆叠数比较多的话

会需要说多个 NTC 放置在电池的

一个不同的位置去监控

整个电池包的一个温度

那通常来说这个数量和放置的位置

也是需要系统地考虑

哪边可能会是你这个电芯发热最严重的地方

哪边是可能散热最不好的地方

会需要去啊考虑这个温度 NTC 放置的位置

那我们这边刚刚是介绍完了

所有的这个电池外部的一些短路过充过放

还有这个温度上的一个保护

最后就组成了一个

相对完整的这样子的

一个电池保护的一个整个结构了

那就有它的一个电压采样

有电流采样 有控制切断回路的 MOS

有这个 NTC 的温度采样

那这样子来说

对我们整个电池保护来说

会称为它是一个一次保护电路

去做一个这样子的

整个系统电池的一个保护的 BMS 管理

那除了这个一次保护

相对而言

我们会有一个二次保护的概念

就是说在一次保护的这个架构之外

我们会单独再放一个过压的这样子的

一个保护芯片

对电芯来说去监控

当我们一次保护可能

会出现一些其他问题的时候

我的二次保护会去做一个备份

通常是二次保护的这个它的阈值

会设得比一次保护要更高一点

那另外一个就是我们会对这个电池

做一个安全上的考虑来说

通常来说在更换电池的时候

会需要去说认证一下是不是原厂

还是山寨的这种电池

那在这个方面我们会去

增加一个认证的一个系统

去对电芯本体去做一个认证了

总的来说我们的认证方式

有这样子的一个简单的介绍了

第一种就是最关键的是

那另外的往右边推的话

有这种 D 认证的是通过这些机械结构

然后但是比较容易山寨

这样子的一个方式

去保证我这个电芯不会被别人利用

那另外一个就是我们可以通过一些

芯片上的通过这些 ID 的一些认证通讯方式

甚至说是通过一些加密的安全认证机制

去做这个对电芯的一个识别

这个我通常来说我们在做这种

ID 认证的时候

就是可以看到它是一个

固定的ID地址 电芯里面

是放了一个这样子存储 ID 的这种芯片

可以说通过单线的这种方式

对这个主机识别内部的这个 ID

是不是自己已经就是认证过的这样子一些应用

那通常来说我们是有一颗叫 PQ2022

这样子的一个芯片

可以做这样子的一个 ID 识别认证

另外一种就是加密认证了

这样子的话

它是一个随机码这样子的一个传递

通过这种长则几码的这样子的一个发起

然后发起的一个认证

然后由我们这个内部存储的

这样子的私密的这样子一个加密钥

要去对整个数据进行加密

然后最后解密之后

可以跟系统去做一个相互识别的验证

那我们有一些比较好的一面

就是 PK2026100

这个是也是一个加密认证机制一个芯片

那下面的话会对这个

介绍了这么多电池安全相关的一些东西

我们会对它做一个简单的一个总结

首先我们在设计电池的时候

考虑到电芯本体上

我们需要去做对电芯它的这个供应商

去做一定的选择

或者是要求去使用有保证的一些电芯

另外一个就是在设计过程中

会需要去根据你系统的一些充放电的条件

你的电流需求

你的体积的大小决定这个电芯的尺寸

另外一个就是

我们在考虑这个电池保护的时候

会需要去增加一些一次保护电路

二次保护电路去做

这样子一个产品的保护

最后如果说是需要去对这个电芯

做更好的一个识别和认证的话

可以考虑说通过认证芯片

来做这样子的一个设计上的考虑了

那除此以外的话

下面我们会对这个具体的更细节方面的

这个电池保护的一个方案

去做一个详细的介绍

文博士下面可以

给大家介绍一下这边的方案了

另外一个就是

对电池温度的一个控制热管理来说

不管是在手机还是在这个电动自行车

在那个现在的电动汽车上面

热管理都是非常难的一个事情

因为电池体积大了之后

他的这个热的这个模型

需要去做一个系统的考量

然后去做这个电池整个热模型的分析

去做一个系统上的一个设计

我想问题就是说了这么多模式的话

到底有什么样的办法来

防止这些灾难性的故障发生呢

这个这些故障发生的话

我们可以从它产生的原因去做分析

然后再根据这些原因

去一步步的去做一个我们电池管理

能够去做怎样的一个保护

所以下面我会去介绍到这个

我们电池保护上面

能够去针对这些故障发生的原因

去做怎样的一个保护

我们可以一条来分析

如果是电池内部的这样子的一个短路的话

其实我们是从 BMS 管理上来说

它是没有办法去做到对电芯本体的一个

包括从这方面来说

需要去我们和那个电池设计的一个电芯厂家

然后它的一些安全认证部门

去做这样子的一个合作

来解决电芯本体的这样子故障发生的可能性

我稍微插一句

就是从电池内短路的角度讲的话

的确因为内短路的主要的问题

是他是在电池内部的

然后你没有元器件是直接去监控它的电流

而且它电流很小的情况下

也不太容易监控

但是 TI 现在未来会推出一些产品

电量计的高端的这个应用产品的话

希望能够在这方面的话

能够解决这个问题

基本上就是说能够非常精准的

去检测到早期的电池短路的情况

这个部分的话是看

可能会在 17 年左右

会有这样的一个技术出现

会有这样的一个技术出现

我们在这个对电池本体的一些研究方面

会去根据一些电池内部的一个特性

或者它的性能的变化

去能够去预估它内部的一些可能发生的

一些存在潜在风险

那下面可以看到我们在对外部

和这个外部的一些充放电的一个系统上的

一些故障原因的话

会针对性地利用 BMS 系统的一些

上的一个设计来保证不会发生这样子的故障

那首先是如何去处理这个过充和过放

那首先的话如果是要知道这个电池的

一个过充和放状态

必须去实时的监控电池的一个电压状态

那我们会在这个 BMS 这个电池上

去放一个监控芯片

那去用模拟器件也好

数字 ADC 也好

去直接去得到我这个电芯当前的一个电压

那这个的话可以看到这边图上

是简单有两个事例是一个比较器

然后 reference 去

做这样子过压和欠压的一个比较

那现在的话我们也是有一些新的

更加高度集成化的产品

会根据它的一个 ADC 实时采集的这个电压

然后去做一个过压欠压的一个比较判断

如果是硬件的方法的话

它的这个 OV 和 UV 的设置

会是比较困难的一个点

因为它可能会存在一些漂移

或者量产上的一些问题

那如果是在数字化的方面的话

我们能够很方便的去做一个校准

和去做一些配置

那对于这个采集方面

可以去做到对电池电压

过充和过放的一个判断

那当我们检测到这个过充过放之后

需要去保护这个电池

仅仅去告诉系统说这个

电池处于过充和过放状态是不够的

电池处于过充和过放状态是不够的

还需要说我主动的去能够啊切断这个

整个充放电的回路

能够去帮助这个电池能够

处在一个安全的状态

那我们会是在这个电池的回路上面

充放电回路上面去增加两个

MOS 管去做这个回路的一个切断的控制

有个问题

就是这个 MOS 的话有高边和低边的考虑

这个我们现在画图上是放在低边的

但通常来说

我们看到不同各样的设计

他们有放在高边放在低边

他们有放在高边放在低边

甚至说有是那种分口的这种设计

就是冲放电口不是同一个充电口

所以在这种不同的考虑上面

我们可能会需要说

首先一个知道我系统的一个接口的定义

我看看自己适不适合分口的

究竟是需要说有放电口还是要有独立的充电口

还是说这两口是合并在一起的

那根据这个状态我们再去考虑

说我们只需要高边还是放在低边

因为放在低边可以看到显而易见的优点

就是说它的这个可以选取两个 N-MOS

对它的整个系统成本来说是比较优化的

另外一个就是说它的驱动来说

是比较简单的

一般来说 N-MOS 的驱动

是从电芯直接取电

然后给这个 N-MOS 的基极去做驱动的

但问题是来说一般来说你的电芯堆成模组之后

他的这个电压可能会出现一个波动

比如三节电池可能它电压在 6V-9V 之间

所以这个基极驱动的话

会是存在一个波动状态

然后当然另外一个就是我们会考虑

如果是放在高边的话

那高边的问题就是说如果是高边

会选择一个 P-MOS 去做

一个这样子的一个设计

它的驱动会比较简单

但是它的 P-MOS 成本会比较高了

另外就是高边可以选择 N-MOS

需要额外的一个驱动器

来去做这样子的一个 N-MOS 的驱动

那下面的话我们也会去介绍一下

高边驱动的一些设计

这个就是在保护这个过充

和过放上面的一些处理

那这个过充电压和阀值

和这个延迟时间的一些设计了

通常来说我们会有设计一个滞环去

做这个过充点的一个判断

当这个电池电压达到这个过充点以上之后

并且有一个延时时间

去做一个延时的一个保护

然后再去触发

它的释放条件也是有一个滞环

置以下之后才会去做一个释放条件

甚至是有些它需要说

检测到你的充电器移除之后

然后再去做这个释放的一个动作

过放也是一样

它也是需要去做一个回滞和延迟时间

也有些时候会需要去检测

我的负载是否移除

当我检测到负载移除

我才会去做这个释放的动作

然后在对于过电压保护之后

还是需要去对这个电池放电能力

去做一个保护

那就是需要引入我们的电流的一个检测

通常来说是在这个电芯回路上

会串一个采样电阻

去做这样这个电流的一个保护

那电流保护就涉及到一个电流的

一个保护的一个速度以及它的一个

就是保护触发的一个机制了

通常来说我们在做电流保护的时候

会需要多极的一个保护

有可能有一级过流有二级过流

甚至是短路过流三级这样子的一个

多级的一个结构

去一层一层的去保护我这个电芯

保护外部的一些器件

不会被这个大电流损坏

那这个就是过流的一个简单的介绍了

也是一个有一个阈值也就是时间的这样子的

也是一个有一个阈值也就是时间的这样子的

一个参数的考虑上

这个也是要根据系统的上考虑去设计

那通常来说我们可以看下一页

这边电压电流保护阈值

和这个时间的一些关系了

可以看到它是一个反函数的关系

当我设定的这个保护电流越高的时候

我需要的这个保护的这个

反应时间要非常的短

这样子才能够对我的

整个系统去做一个保护

可以看到这边可能分了有

一级二级三级

甚至是一个短路

这样子的一个过流和保护

有一个问题啊

就是这些这些电流保护的

这个不同的阈值之间的话

他们是有一个时间上面的

和这个绝对值的一个关系

一个差异的那是为什么说中间的

那个有一层叫做二级的永久性的过流保护

对这个是过流保护它的一些切断的机制上

是会有不一样的

有些过流保护说是可恢复性的

它阈值比较低

可能不会对系统或者是我的

本地硬件做出损伤

它可能是切断了这个 MOS 管的开通关断之后

然后做一个保护

而如果是永久性的这样的这个保护的话

有一些电池系统上会去串联一个熔断器

如果是这个熔断器断了之后

那基本上这个电芯是处于不可恢复

这样的一个状态了

我这边稍微补充一点

就是说根据我的经验的话

一般就是说如果短路保护

这种电流比较大的保护

一般是要非常迅速的响应的

可能会在微秒级甚至是毫秒级去进行响应

一般这种可能还是需要它就能够恢复的

那反而是那种就是稍微低电流稍微低一点

比如说你通常的应用是五安培的左右的话

但是你超过大概十安培了

但是你超过大概十安培了

举个例子

那实际上经过比较长的时间的话

可能会有比较强的热效应

这样的这样的东西

如果他屡次进行出现这样的保护的话

可能在我们的这个电量计

或者这个设计里面的话会有一个选项

让客户可以选择

就是它可以永久性地让这个器件

去关断为了确保这个产品的安全

这多次触发之后有一个触发的下限值

对就是不能频繁的去触发

下面就是对于温度的一个保护了

对于温度来说

会需要在系统去增加这个 NTC

在有些地方也可能是有 PTC

这样一个需求

这样子的一个温度采集的一个电阻

然后去做这样子的一个温度的保护

那可以对这个整个电池

如果是堆叠数比较多的话

会需要说多个 NTC 放置在电池的

一个不同的位置去监控

整个电池包的一个温度

那通常来说这个数量和放置的位置

也是需要系统地考虑

哪边可能会是你这个电芯发热最严重的地方

哪边是可能散热最不好的地方

会需要去啊考虑这个温度 NTC 放置的位置

那我们这边刚刚是介绍完了

所有的这个电池外部的一些短路过充过放

还有这个温度上的一个保护

最后就组成了一个

相对完整的这样子的

一个电池保护的一个整个结构了

那就有它的一个电压采样

有电流采样 有控制切断回路的 MOS

有这个 NTC 的温度采样

那这样子来说

对我们整个电池保护来说

会称为它是一个一次保护电路

去做一个这样子的

整个系统电池的一个保护的 BMS 管理

那除了这个一次保护

相对而言

我们会有一个二次保护的概念

就是说在一次保护的这个架构之外

我们会单独再放一个过压的这样子的

一个保护芯片

对电芯来说去监控

当我们一次保护可能

会出现一些其他问题的时候

我的二次保护会去做一个备份

通常是二次保护的这个它的阈值

会设得比一次保护要更高一点

那另外一个就是我们会对这个电池

做一个安全上的考虑来说

通常来说在更换电池的时候

会需要去说认证一下是不是原厂

还是山寨的这种电池

那在这个方面我们会去

增加一个认证的一个系统

去对电芯本体去做一个认证了

总的来说我们的认证方式

有这样子的一个简单的介绍了

第一种就是最关键的是

那另外的往右边推的话

有这种 D 认证的是通过这些机械结构

然后但是比较容易山寨

这样子的一个方式

去保证我这个电芯不会被别人利用

那另外一个就是我们可以通过一些

芯片上的通过这些 ID 的一些认证通讯方式

甚至说是通过一些加密的安全认证机制

去做这个对电芯的一个识别

这个我通常来说我们在做这种

ID 认证的时候

就是可以看到它是一个

固定的ID地址 电芯里面

是放了一个这样子存储 ID 的这种芯片

可以说通过单线的这种方式

对这个主机识别内部的这个 ID

是不是自己已经就是认证过的这样子一些应用

那通常来说我们是有一颗叫 PQ2022

这样子的一个芯片

可以做这样子的一个 ID 识别认证

另外一种就是加密认证了

这样子的话

它是一个随机码这样子的一个传递

通过这种长则几码的这样子的一个发起

然后发起的一个认证

然后由我们这个内部存储的

这样子的私密的这样子一个加密钥

要去对整个数据进行加密

然后最后解密之后

可以跟系统去做一个相互识别的验证

那我们有一些比较好的一面

就是 PK2026100

这个是也是一个加密认证机制一个芯片

那下面的话会对这个

介绍了这么多电池安全相关的一些东西

我们会对它做一个简单的一个总结

首先我们在设计电池的时候

考虑到电芯本体上

我们需要去做对电芯它的这个供应商

去做一定的选择

或者是要求去使用有保证的一些电芯

另外一个就是在设计过程中

会需要去根据你系统的一些充放电的条件

你的电流需求

你的体积的大小决定这个电芯的尺寸

另外一个就是

我们在考虑这个电池保护的时候

会需要去增加一些一次保护电路

二次保护电路去做

这样子一个产品的保护

最后如果说是需要去对这个电芯

做更好的一个识别和认证的话

可以考虑说通过认证芯片

来做这样子的一个设计上的考虑了

那除此以外的话

下面我们会对这个具体的更细节方面的

这个电池保护的一个方案

去做一个详细的介绍

文博士下面可以

给大家介绍一下这边的方案了