ABB LDMTR-01 打破BMS ICs的复杂性

电池管理系统(BMS) IC是一个相对复杂的系统。与大多数电源管理IC不同，它集成了许多相互依赖的功能，这些功能必须精确、无缝、和谐地工作，才能实现功能齐全的BMS。在任何电池供电设备中，BMS都是最关键、最敏感的组件之一，通常也是最重要的。

　　锂离子电池虽然功能强大，但高度敏感，可能会带来安全风险如果处理不当。不恰当的保养也会显著缩短电池的使用寿命，导致电池容量下降，甚至导致电池无法使用。BMS IC是负责确保电池组健康、报告其状态并保持最佳性能的关键元素，无论是独立还是与系统处理器协作。

　　四个关键功能

　　在BMS IC执行的众多任务中，这四项功能(排名不分先后)最为关键，因为它们对于实现可靠、高效的电池管理系统:

　　1.保护和安全

　　2.平衡

　　3.充电状态确定和报告

　　4.健康状况评估

　　保护、安全和平衡:精确电压测量的作用

　　保护、安全和平衡在很大程度上取决于准确的电池电压测量。在众多任务中，精确测量电池电压是BMS IC最具挑战性的任务之一。这在平衡电池时变得尤为重要。

　　锂离子电池对特定的电压阈值非常敏感。超过最小或最大限值会损坏电池，而过度充电会造成火灾或爆炸的重大风险。精确的电压测量对于保持这些限值至关重要，因为不精确可能需要增加缓冲裕量，从而降低电池的可用容量。这些余量的大小与测量精度直接相关。

　　更复杂的是，电池电压受电池阻抗和电流的影响。这种可变性需要对阈值进行动态调整，使得精确的阻抗评估成为该过程的重要部分。这些挑战也延伸到健康状况(SOH)评估，我们将在后面探讨。

　　另一方面，平衡要求更高。它不仅需要精度，还需要评估每个电池中存储的相对能量的能力。对于磷酸铁锂(LFP)等新兴化学物质，平衡尤为重要，因为它们的开路电压曲线平坦，即使很小的电压差也会转化为明显的能量不平衡。平衡不佳会加剧这一问题，导致电池组容量长期下降。

　　为了有效地平衡电池，同时测量所有电池是关键。通过同时测量所有的细胞，电流变化——它会扭曲读数——被消除。这种方法简化了平衡过程，避免了使用复杂的滤波器或算法，而这些滤波器或算法可能会带来进一步的误差。

　　同时测量

　　实现同步测量取决于每个单元是否有专用ADC。然而，传统的实现方式带来了巨大的挑战:

　　芯片面积和成本:每个单元增加一个ADC会显著增加硅面积，从而推高成本。

　　精密公差:确保多个ADC的精度一致至关重要，因为性能变化会抵消同步测量的优势。

　　图一。NB1400内部框图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　Novan Semiconductor的数字辅助模拟(DAA)专利技术取得了重大突破:将整个工作范围内的测量误差降低到前所未有的±1mV精度，同时最小化尺寸并保持可负担性，使每个单元的专用ADC可行，并消除时分复用测量引起的重大误差，而无需校准。

　　充电状态:精度问题

　　精确的SOC确定依赖于精确的库仑计数——测量流入和流出电池的能量。如今，许多产品依赖“伪库仑计数”，使用16位σ-δ型ADC来测量电流，并尝试对电流进行积分。然而，在这个过程中，即使很小的误差也会在几个周期内累积，导致很大的误差。为了缓解这一问题，许多系统依赖复杂的电池建模和护栏，这增加了成本和复杂性，但无法保证精度。

　　通过将行业首创的22位ENOB分辨率与独特的平均方法相结合，Nova的PureAveraging技术可精确测量库仑电量，不受电流形状或频率的影响。这种方法考虑了几乎所有的电子运动，实现了非凡的0.02%的可重复性——比传统方法好几个数量级。值得注意的是，这种精度是在不依赖电池建模或护栏的情况下实现的，如图2所示。

　　图二。SOC测量，Nova vs其他。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　健康状况:至关重要的洞察力

　　最后，SOH可能是所有BMS功能中最关键的，因为它提供了电池退化和潜在故障的早期警告。准确的SOH评估需要测量阻抗以及每个单元的阻抗随时间的变化。与平衡一样，同步测量所有电池和电流对于精确分析至关重要。这确保了电压偏移和电流变化之间的精确关联。同样，每个单元专用的ADC和先进的技术在这里表现出色，提供最精确和可靠的测量。

　　NB1400和NB1600:多功能、全功能的BMS解决方案

　　Nova现有的NB1400(已提供样片)和即将推出的(Q1，2025年)NB1600是14单元和16单元BMS设备，重新定义了精确性、多功能性和功能性。这些先进的IC设计独特，既可用作模拟前端(AFE)，也可用作功能齐全的独立BMS解决方案。

　　作为独立系统使用时，NB1400和NB1600不需要外部微控制器来执行所有关键的BMS功能，包括保护、平衡、SOC确定和SOH评估。这种独立性简化了系统设计，减少了元件数量，提高了整体可靠性。当然，也可以以混合方式使用该器件，可以根据系统的需要启用或禁用各种功能。

　　NB1400已经树立了新的性能标准，NB1600在此基础上又增加了新的功能，Nova将继续引领电池管理解决方案的发展。

　　NB1400和NB1600的使用案例和优势

　　NB1400和NB1600在各种应用中表现出色，从消费电子到工业系统、电动汽车和可再生能源存储。在电动汽车电池组和某些工业应用中，用户经常需要实现独特的功能和算法，这些IC是最精确、最强大的AFE。