面向电动工具和电动自行车的TI设计方案(一)

各位观众大家好

我是 TI 的 FAE 的王成

坐在我旁边的是我的同事文博士

也是负责 TI BMS 产品线的

大中华区的产品经理

很高兴 TI 推出了在线的直播平台

也能够在这个平台上跟大家做一个互动

今天我们主要讲的内容

包括动力电池在电动工具 电动自行车

还有一些低速或者是无人机

机器人方面的应用

除了在汽车方面我们 TI 有很多的 BMS 管理

工业方面也有很多的 BMS 应用技术

所以今天我们大部分的内容集中在工业

工业技术方面的应用

那文博士给大家说一下今天的内容

好的 很高兴能有这个机会跟大家分享

好的 很高兴能有这个机会跟大家分享

今天我们的议题是这样的

首先我们会介绍下 TI 的主要 BMS 的方案

简介以及未来的趋势

花很短的时间做这部分的介绍

然后我们会花大概 25 分钟的时间

会去详细了解一下电池失效的模式

以及 BMS 安全保护的基本原理

之后的话会介绍一下 TI 的各种主流方案

主流的 BMS 方案的介绍

这部分大概会花 60 分钟

最后稍微涉及我们的产品列表

先让我给大家介绍一下 TI 产品的全系列

TI 产品分四个大部分

首先是电量计部门

这个部门生产的产品包括各种串数的电量计

包括单节的 一到四节的笔电

还有多节的电量计

适用于各种消费类的工业类的产品

第二类产品是监控和保护

这部分涵盖各种多节保护和电池的监控应用

也包含电池的安全认证芯片

也包含电池的安全认证芯片

汽车级的监控保护产品也属于这个部门

之后是两个充电的部门

第一个是多节的线性充电器

这个适合于笔电充电的开关式充电

以及各种单节多节各种通用充电场景

还包括低价高性能的 TI 的线性充电器

还有无线充电的部分

最后是我们的单节快充产品线

主要是大于1A的快速充电的开关式充电场景

手机快充芯片的市场领导者

TI 的主要目标是希望

让您的电池发挥更高的效能

我们先来看一下 BMS 的价值链

我们的分析认为 BMS 的价值链

我们的分析认为 BMS 的价值链

主要分为四个部分

电芯的制造商是第一个部分

板厂即PCM 电池包厂 系统集成的 ODM

板厂即PCM 电池包厂 系统集成的 ODM

TI 与每一个环节的供应链都有非常深入的合作

我这边可以为大家举几个例子

首先电芯的成分和他的性能

实际上和电量计的精度充电的方式相关的

实际上和电量计的精度充电的方式相关的

又如芯片的尺寸和保护板的大小是相关的

电池包的外部连接

或者与采用何种通讯和控制方式相关

系统厂商希望通过电池管理增强用户的体验与安全

除此之外 TI 还提供免费的电芯建模服务

我们来看一组关于 TI BMS 的统计数据

在过去的 2015 年

当然今年是 2016 年了 很快要过去了

我们相信今年的数据会大大超过这个数据

在 2015 年我们一共

全球出货的 18 亿颗 BMS 产品

包括电量计保护和充电芯片

包括电量计保护和充电芯片

目前已经积累了 1900 个

BMS 全系列的产品的个数

全球有多于 1500 个客户

我们还有多过 2000 个不同的终端产品

也就是说我们的产品能够

应用在 200 多种不同的终端应用上面

必须要强调的一点就是

TI 准备了丰富的在线资料

我们有一个涵盖几乎你需要

开展设计所需要的信息的 BMS 大学

你需要先到 TI 的官网

WWW. TI .COM/BATTERY

输入这个之后的话你会看到这样一个界面

TI 的官网在这个部分的话

首先看见的是 BMS 的大学

然后我们还有各种各样的视频

数据手册和技术文档

还有样品的申请等

还有 TI 的参考设计

最后还有一个1TO1的在线支持

所以此网站是大家开始设计的一个最好起点

今天说了这么多让我们回头来看看

今天的议题范围主要是

监控和保护产品线

这个产品线的主要产品是这样罗列的

我们可以从上面看从一串到十八串甚至以上

你可以看见有的产品在右边有 xN 的字样

基本上意思就是说 这产品是可以堆叠的

基本上意思就是说 这产品是可以堆叠的

详细介绍到底能堆叠多少个

详细介绍到底能堆叠多少个

基本上我们可以涵盖

从一串到十六串所有的应用场景

从一串到十六串所有的应用场景

我稍微简单介绍一下

像 BQ76925 是三到六串的

76920 是三到五串的

BQ76930 是一个模拟前端的监控

它可以做五到十串

BQ76940 可以做多至 15 串的

这么一个应用 我们还有一些汽车级的产品

像 BQ76PL536AQ1 BQ76PL455AQ1

这样的产品他也是可以进行堆叠的

另外的话还有一些保护器件

刚才的那张图表主要介绍的是

模拟前端和监控器件

这张图表介绍的是稍微简单一点的保护器件

精度非常高他们有非常不同的特性

其中的话 等一会需要详细讲一下的是

BQ77905 和 77904 这个产品系列

它也是主要用在单机工作的电动工具

轻型电动车的应用场景

那么最后的话在这个小节

最后我想跟大家分享一下

我们对电池的这个产品

电池包 动力电池包的设计趋势

我们认为所有的这些努力

包括芯片的集成方向

未来的产品是一定具有就是

电池产品会具有越来越多的智能化

分几个方面的话就是

首先的话是要去做智能充电的

因为我们只有通过这个非常贴切的充电的管理

发挥充电的效能之外还能延长电池的使用寿命

另外的话我们还特别关注电池的容量和健康的指示

各种各样的电池包能给到主机系统的信息

根据电池的健康来提供合适的供电管理

另外还有一个黑盒子的信息

当你的电池包万一出现问题的情况下

他能把电池的使用情况记录下来

能够方便调试或者是debug

或者是提供质保的各种凭证

这一小节介绍到这里

下面部分主要讲电池的失效模式的介绍

和 BMS 安全保护原理

下面交给王诚来介绍一下

感谢文博士对我们 TI 产品的介绍

下面的话我会进入另外一个环节

是关于电池的失效模式和 BMS 安全保护原理

首先是电池失效模式的介绍

我们去做锂电池管理的时候会考虑一个问题

是不是需要 BMS 来保护我的锂电池

另外我的 BMS 该保护哪些东西

BMS 能够做那些保护

BMS 能够做那些保护

什么是它范围以外做不到的事情

比如是有些例如电芯本体的设计问题

比如是有些例如电芯本体的设计问题

我们也是要考虑在内的

另外的话

我会介绍 BMS 在保护上的主要功能

它的设计上的一个思路

最后会给大家介绍一些

关于电池认证方面的知识

首先是电池为什么会失效

这里是有两个图表

左边的这个图是可以看到

在 100 次循环后电池的容量有一个衰减

在 100 次循环后电池的容量有一个衰减

给大家一个直观的印象是

电池失效之后

电池失效之后

首先我们能直观感受到的是这个容量用的少了

电芯我的手机很快就没电了

为什么会引起容量的衰减

一个是本身电池化学变化

另外就是在循环使用过程中内部阻抗增加

导致电池在自身内阻上消耗更多的能量

导致释放的能量更加的少

这是电池失效的一个直接的表现

那为什么电池会失效

就会涉及到电池内部的一些结构

如果从老化模型去分析

电池在阴极和阳极材料上面

最明显一个失效的例子是

它的负极 内部是用石墨碳做的一个材料

它的负极 内部是用石墨碳做的一个材料

在这个碳大电流充电或放电

在这个碳大电流充电或放电

或者在低温下进行快速充放电的时候

很容易在碳上面积聚一层锂的金属

可能析出锂的枝晶导致阻抗增加

可能析出锂的枝晶导致阻抗增加

甚至比较危险会导致金属刺穿隔膜

导致电芯内部的短路

这个是电芯可能会失效的一个内部原因

最主要原因还是电池的不适当使用

比如超出规定电流以内电流的充放电

超出温度范围之外的使用

都会导致电池的加速老化

第二部分给大家介绍

电池在生产过程中可能存在的设计问题

可以看到电池内部的的结构

是一个软包的电池结构

分正极 绝缘材料 负极 中间填充电解液

分正极 绝缘材料 负极 中间填充电解液

在电池生产过程中

生产商会去做电池方面的认证

和安全方面的实验

来保证电芯的可靠工作

在设计过程中就需要保证电池的安全和可靠性

比如说正负极之间的间距

薄膜的厚度都是要考虑的

现在快充的电池 大动力放电电池

在设计的时候也需要去考虑

循环过程中的老化速度

下面介绍电池失效的一些征兆

以及最后表现的一些形式

简单来说 因为条目很多 不会一一给大家过

给大家一个简单直观的印象

通常的老化都会导致容量降低、阻抗增加

如果从外观上来看

失效的电池可能会出现异常气体的排出

或者说内部的鼓包 鼓胀 异常的过热

或者说内部的鼓包 鼓胀 异常的过热

如果温度特别高的情况下也可能出现热失控

热失控会发生燃烧或者爆炸等不可逆的一些损伤

通常来说我们见到的锂离子电池

热失控温度会在200-300摄氏度之间

铁锂电池他的热失控温度会更高一点

所以有些情况下

应用上会限制在比如说

电动大巴上三元锂离子电池的应用

主要是出于安全上的考虑

如何去防止危害的发生

这边是在各种应用场景中电池烧毁的图片

这边是电动的滑板车

有很多例事故是燃烧起火

还有一些消费品如手机也会出现这种情况

出现燃烧问题的主要可能原因

我们归结于以下几点

一是短路条件的发生

电芯内部的短路

电芯本身设计过程中

或者在工厂生产过程中出现的短路

另外就是电池包外部的

两级两端的一些外部器件的短路

和系统内部的短路

和系统内部的短路

会导致电池瞬间的加速放电

内部温度异常升高导致热失控

另外是在充电

在充电过程中 电池需要充电的管理和保护

电池电压过高也很容易导致电池烧坏

电池电压过高也很容易导致电池烧坏

另外一个是过放

过放的话通常来说会导致电池的电压降低

加快老化的速度

电池过放的非常低的话

下次充电的时候会有一个涓流的启动的过程

各位观众大家好

我是 TI 的 FAE 的王成

坐在我旁边的是我的同事文博士

也是负责 TI BMS 产品线的

大中华区的产品经理

很高兴 TI 推出了在线的直播平台

也能够在这个平台上跟大家做一个互动

今天我们主要讲的内容

包括动力电池在电动工具 电动自行车

还有一些低速或者是无人机

机器人方面的应用

除了在汽车方面我们 TI 有很多的 BMS 管理

工业方面也有很多的 BMS 应用技术

所以今天我们大部分的内容集中在工业

工业技术方面的应用

那文博士给大家说一下今天的内容

好的 很高兴能有这个机会跟大家分享

好的 很高兴能有这个机会跟大家分享

今天我们的议题是这样的

首先我们会介绍下 TI 的主要 BMS 的方案

简介以及未来的趋势

花很短的时间做这部分的介绍

然后我们会花大概 25 分钟的时间

会去详细了解一下电池失效的模式

以及 BMS 安全保护的基本原理

之后的话会介绍一下 TI 的各种主流方案

主流的 BMS 方案的介绍

这部分大概会花 60 分钟

最后稍微涉及我们的产品列表

先让我给大家介绍一下 TI 产品的全系列

TI 产品分四个大部分

首先是电量计部门

这个部门生产的产品包括各种串数的电量计

包括单节的 一到四节的笔电

还有多节的电量计

适用于各种消费类的工业类的产品

第二类产品是监控和保护

这部分涵盖各种多节保护和电池的监控应用

也包含电池的安全认证芯片

也包含电池的安全认证芯片

汽车级的监控保护产品也属于这个部门

之后是两个充电的部门

第一个是多节的线性充电器

这个适合于笔电充电的开关式充电

以及各种单节多节各种通用充电场景

还包括低价高性能的 TI 的线性充电器

还有无线充电的部分

最后是我们的单节快充产品线

主要是大于1A的快速充电的开关式充电场景

手机快充芯片的市场领导者

TI 的主要目标是希望

让您的电池发挥更高的效能

我们先来看一下 BMS 的价值链

我们的分析认为 BMS 的价值链

我们的分析认为 BMS 的价值链

主要分为四个部分

电芯的制造商是第一个部分

板厂即PCM 电池包厂 系统集成的 ODM

板厂即PCM 电池包厂 系统集成的 ODM

TI 与每一个环节的供应链都有非常深入的合作

我这边可以为大家举几个例子

首先电芯的成分和他的性能

实际上和电量计的精度充电的方式相关的

实际上和电量计的精度充电的方式相关的

又如芯片的尺寸和保护板的大小是相关的

电池包的外部连接

或者与采用何种通讯和控制方式相关

系统厂商希望通过电池管理增强用户的体验与安全

除此之外 TI 还提供免费的电芯建模服务

我们来看一组关于 TI BMS 的统计数据

在过去的 2015 年

当然今年是 2016 年了 很快要过去了

我们相信今年的数据会大大超过这个数据

在 2015 年我们一共

全球出货的 18 亿颗 BMS 产品

包括电量计保护和充电芯片

包括电量计保护和充电芯片

目前已经积累了 1900 个

BMS 全系列的产品的个数

全球有多于 1500 个客户

我们还有多过 2000 个不同的终端产品

也就是说我们的产品能够

应用在 200 多种不同的终端应用上面

必须要强调的一点就是

TI 准备了丰富的在线资料

我们有一个涵盖几乎你需要

开展设计所需要的信息的 BMS 大学

你需要先到 TI 的官网

WWW. TI .COM/BATTERY

输入这个之后的话你会看到这样一个界面

TI 的官网在这个部分的话

首先看见的是 BMS 的大学

然后我们还有各种各样的视频

数据手册和技术文档

还有样品的申请等

还有 TI 的参考设计

最后还有一个1TO1的在线支持

所以此网站是大家开始设计的一个最好起点

今天说了这么多让我们回头来看看

今天的议题范围主要是

监控和保护产品线

这个产品线的主要产品是这样罗列的

我们可以从上面看从一串到十八串甚至以上

你可以看见有的产品在右边有 xN 的字样

基本上意思就是说 这产品是可以堆叠的

基本上意思就是说 这产品是可以堆叠的

详细介绍到底能堆叠多少个

详细介绍到底能堆叠多少个

基本上我们可以涵盖

从一串到十六串所有的应用场景

从一串到十六串所有的应用场景

我稍微简单介绍一下

像 BQ76925 是三到六串的

76920 是三到五串的

BQ76930 是一个模拟前端的监控

它可以做五到十串

BQ76940 可以做多至 15 串的

这么一个应用 我们还有一些汽车级的产品

像 BQ76PL536AQ1 BQ76PL455AQ1

这样的产品他也是可以进行堆叠的

另外的话还有一些保护器件

刚才的那张图表主要介绍的是

模拟前端和监控器件

这张图表介绍的是稍微简单一点的保护器件

精度非常高他们有非常不同的特性

其中的话 等一会需要详细讲一下的是

BQ77905 和 77904 这个产品系列

它也是主要用在单机工作的电动工具

轻型电动车的应用场景

那么最后的话在这个小节

最后我想跟大家分享一下

我们对电池的这个产品

电池包 动力电池包的设计趋势

我们认为所有的这些努力

包括芯片的集成方向

未来的产品是一定具有就是

电池产品会具有越来越多的智能化

分几个方面的话就是

首先的话是要去做智能充电的

因为我们只有通过这个非常贴切的充电的管理

发挥充电的效能之外还能延长电池的使用寿命

另外的话我们还特别关注电池的容量和健康的指示

各种各样的电池包能给到主机系统的信息

根据电池的健康来提供合适的供电管理

另外还有一个黑盒子的信息

当你的电池包万一出现问题的情况下

他能把电池的使用情况记录下来

能够方便调试或者是debug

或者是提供质保的各种凭证

这一小节介绍到这里

下面部分主要讲电池的失效模式的介绍

和 BMS 安全保护原理

下面交给王诚来介绍一下

感谢文博士对我们 TI 产品的介绍

下面的话我会进入另外一个环节

是关于电池的失效模式和 BMS 安全保护原理

首先是电池失效模式的介绍

我们去做锂电池管理的时候会考虑一个问题

是不是需要 BMS 来保护我的锂电池

另外我的 BMS 该保护哪些东西

BMS 能够做那些保护

BMS 能够做那些保护

什么是它范围以外做不到的事情

比如是有些例如电芯本体的设计问题

比如是有些例如电芯本体的设计问题

我们也是要考虑在内的

另外的话

我会介绍 BMS 在保护上的主要功能

它的设计上的一个思路

最后会给大家介绍一些

关于电池认证方面的知识

首先是电池为什么会失效

这里是有两个图表

左边的这个图是可以看到

在 100 次循环后电池的容量有一个衰减

在 100 次循环后电池的容量有一个衰减

给大家一个直观的印象是

电池失效之后

电池失效之后

首先我们能直观感受到的是这个容量用的少了

电芯我的手机很快就没电了

为什么会引起容量的衰减

一个是本身电池化学变化

另外就是在循环使用过程中内部阻抗增加

导致电池在自身内阻上消耗更多的能量

导致释放的能量更加的少

这是电池失效的一个直接的表现

那为什么电池会失效

就会涉及到电池内部的一些结构

如果从老化模型去分析

电池在阴极和阳极材料上面

最明显一个失效的例子是

它的负极 内部是用石墨碳做的一个材料

它的负极 内部是用石墨碳做的一个材料

在这个碳大电流充电或放电

在这个碳大电流充电或放电

或者在低温下进行快速充放电的时候

很容易在碳上面积聚一层锂的金属

可能析出锂的枝晶导致阻抗增加

可能析出锂的枝晶导致阻抗增加

甚至比较危险会导致金属刺穿隔膜

导致电芯内部的短路

这个是电芯可能会失效的一个内部原因

最主要原因还是电池的不适当使用

比如超出规定电流以内电流的充放电

超出温度范围之外的使用

都会导致电池的加速老化

第二部分给大家介绍

电池在生产过程中可能存在的设计问题

可以看到电池内部的的结构

是一个软包的电池结构

分正极 绝缘材料 负极 中间填充电解液

分正极 绝缘材料 负极 中间填充电解液

在电池生产过程中

生产商会去做电池方面的认证

和安全方面的实验

来保证电芯的可靠工作

在设计过程中就需要保证电池的安全和可靠性

比如说正负极之间的间距

薄膜的厚度都是要考虑的

现在快充的电池 大动力放电电池

在设计的时候也需要去考虑

循环过程中的老化速度

下面介绍电池失效的一些征兆

以及最后表现的一些形式

简单来说 因为条目很多 不会一一给大家过

给大家一个简单直观的印象

通常的老化都会导致容量降低、阻抗增加

如果从外观上来看

失效的电池可能会出现异常气体的排出

或者说内部的鼓包 鼓胀 异常的过热

或者说内部的鼓包 鼓胀 异常的过热

如果温度特别高的情况下也可能出现热失控

热失控会发生燃烧或者爆炸等不可逆的一些损伤

通常来说我们见到的锂离子电池

热失控温度会在200-300摄氏度之间

铁锂电池他的热失控温度会更高一点

所以有些情况下

应用上会限制在比如说

电动大巴上三元锂离子电池的应用

主要是出于安全上的考虑

如何去防止危害的发生

这边是在各种应用场景中电池烧毁的图片

这边是电动的滑板车

有很多例事故是燃烧起火

还有一些消费品如手机也会出现这种情况

出现燃烧问题的主要可能原因

我们归结于以下几点

一是短路条件的发生

电芯内部的短路

电芯本身设计过程中

或者在工厂生产过程中出现的短路

另外就是电池包外部的

两级两端的一些外部器件的短路

和系统内部的短路

和系统内部的短路

会导致电池瞬间的加速放电

内部温度异常升高导致热失控

另外是在充电

在充电过程中 电池需要充电的管理和保护

电池电压过高也很容易导致电池烧坏

电池电压过高也很容易导致电池烧坏

另外一个是过放

过放的话通常来说会导致电池的电压降低

加快老化的速度

电池过放的非常低的话

下次充电的时候会有一个涓流的启动的过程