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