本文作者：Jonathan Dodge

我正打算購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)電池驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)，恰好在庭院舊貨攤上看到了一臺(tái)。“這機(jī)器就用過(guò)兩次?！辟u(mài)家說(shuō)道，這時(shí)我又注意到旁邊還有一臺(tái)一模一樣的。它的價(jià)格只有新機(jī)的一半，于是我便買(mǎi)下了它，開(kāi)心地把它推回了家。這臺(tái)割草機(jī)用起來(lái)很棒：運(yùn)行安靜、動(dòng)力充沛，修剪出的草坪整齊美觀。然而，割完草后，我取出電池，把它插進(jìn)充電器，結(jié)果充電器閃起了紅燈，拒絕為其充電?！艾F(xiàn)在我知道它為什么要出售了。我真傻，居然冒險(xiǎn)買(mǎi)下?！蔽野底载?zé)備自己。

此時(shí)，我面臨一個(gè)抉擇：我可以買(mǎi)一塊新電池，但要是新電池也有問(wèn)題怎么辦？那樣的話，我花的錢(qián)幾乎跟買(mǎi)一臺(tái)新割草機(jī)差不多了，而且還沒(méi)有保修。一想到要重新用回汽油動(dòng)力割草機(jī)，就很抵觸，尤其是在體驗(yàn)過(guò)電池驅(qū)動(dòng)割草機(jī)的安靜與便捷之后。不，我不會(huì)回頭的；我選擇了另一種辦法。

我在功率電子領(lǐng)域工作多年，所以有足夠的信心拆開(kāi)電池外殼，取出那組整齊排列的鋰基電池電芯。用萬(wàn)用表一測(cè)，很快就發(fā)現(xiàn)有一個(gè)電芯的電壓比其它所有電芯都低?！霸趺磿?huì)這樣？”我納悶，“這電池幾乎還是新的啊。”我想，或許是這個(gè)電芯有缺陷，整個(gè)電池組也就成了廢品。反正也沒(méi)什么可損失的，我就把可編程電源接在那個(gè)電壓低的電芯兩端，小心翼翼地、慢慢地給它充電，直到它的電壓和其它電芯一樣。（請(qǐng)注意，我在高功率、高壓電源轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域工作多年，所以對(duì)這類操作已經(jīng)習(xí)以為常。如果你缺乏專業(yè)知識(shí)和設(shè)備，請(qǐng)不要嘗試對(duì)鋰電池組進(jìn)行操作）。

重新組裝好電池后，充電器成功識(shí)別并為其充電。草坪修剪工作順利完成，于是我又拆開(kāi)電池，想看看是否還有電壓持續(xù)偏低的電芯。令我驚訝的是，所有電芯的電壓幾乎完全一致。我重復(fù)了這個(gè)過(guò)程幾次，結(jié)果都一樣。電池沒(méi)問(wèn)題，不再存在電壓弱的電芯。“哇，我買(mǎi)下那臺(tái)割草機(jī)可真明智！”我心想，接著又想到，“這肯定是電池管理系統(tǒng)（BMS）缺乏電芯均衡功能所致。要是制造商使用Qorvo的BMS，其電池保修退貨率恐怕會(huì)直線下降。”

其工作原理是這樣的。PAC2xxxx系列的每個(gè)BMS都能通過(guò)對(duì)電壓較高的電芯進(jìn)行交替式部分放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電芯電壓均衡，放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)功率晶體管和電阻耗散出去。這是一種非常簡(jiǎn)潔且極具成本效益的方案，盡管它在技術(shù)上并非最為復(fù)雜、尖端。

圖1，PAC2xxxx電芯均衡電路的一部分，帶有外部晶體管和負(fù)載電阻

其內(nèi)部的25Ω MOSFET可支持高達(dá)50mA的電流，該限值主要受內(nèi)部發(fā)熱制約。然而，戶外工具通常需要更大的均衡電流，因此內(nèi)部MOSFET被用來(lái)控制外部晶體管，讓更大的電流通過(guò)負(fù)載電阻。這種方式可對(duì)電池組中任意位置的高電壓電芯進(jìn)行部分放電。通常情況下，會(huì)有多節(jié)電芯電壓偏高；我的電池當(dāng)時(shí)正是這種情況。隨后，PAC2xxxx BMS會(huì)在各電芯之間交替操作，從每節(jié)電芯中“汲取”少量能量，直至所有電芯電壓達(dá)到緊密均衡。這個(gè)均衡過(guò)程通常在電池充電時(shí)進(jìn)行，不過(guò)PAC2xxxx也可以編程設(shè)置為隨時(shí)執(zhí)行電芯均衡。

當(dāng)然，PAC2xxxx系列電池管理系統(tǒng)所具備的功能遠(yuǎn)不止均衡電芯電壓。其中，PAC25140尤為引人注目；它搭載150MHz、32位Arm Cortex-M4F微控制器，配備浮點(diǎn)運(yùn)算單元以及硬件乘除法器。每款PAC2xxxx BMS都采用了高度集成的設(shè)計(jì)，能夠執(zhí)行以下功能：

精準(zhǔn)測(cè)量所有電芯的電壓及電流

監(jiān)測(cè)溫度

在緊急狀況下自動(dòng)切斷電池電流

電池閑置時(shí)斷開(kāi)連接

為所有內(nèi)部電路提供電源管理

電芯電壓均衡需要極高精度的電壓測(cè)量，為此，每款PAC2xxxx BMS均配備一個(gè)專用于電芯電壓測(cè)量和安全檢查的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。同時(shí)，電池電流的測(cè)量同樣也需要高精度，以支持用于電量計(jì)和服務(wù)壽命計(jì)算的庫(kù)侖計(jì)數(shù)法。為此，由一個(gè)高精度、可編程增益差分放大器驅(qū)動(dòng)的第二個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器承擔(dān)此項(xiàng)任務(wù)。

圖2，PAC2xxxx局部示意圖，展示了電池?cái)嚅_(kāi)/斷路器MOSFET及其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器，還有自控制熔斷器驅(qū)動(dòng)器

每一款PAC2xxxx都配備了全面的保護(hù)功能。例如，其內(nèi)部集成了保護(hù)電路及用于驅(qū)動(dòng)外部MOSFET的驅(qū)動(dòng)器；二者協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)電池?cái)嚅_(kāi)與電路斷路器的功能。兩顆MOSFET可分別阻斷雙向電流，自動(dòng)切斷任何故障電流，并在設(shè)備閑置時(shí)將電池與電源端子斷開(kāi)。這些MOSFET可分別連接至充電器和負(fù)載，從而節(jié)省用于阻斷充電器的MOSFET成本。第三個(gè)MOSFET可選配激活自控熔絲功能。

最后，電源管理十分簡(jiǎn)便。集成的高壓降壓轉(zhuǎn)換器僅需要一個(gè)電感器、一個(gè)二極管以及幾個(gè)電容器。推薦使用的元件列在數(shù)據(jù)手冊(cè)或評(píng)估套件中。

圖3，帶有自舉柵極驅(qū)動(dòng)電源的PAC2xxxx電源管理降壓轉(zhuǎn)換器

總而言之，這篇關(guān)于挽救一塊“故障”割草機(jī)電池的真實(shí)案例，闡釋了高效電池管理系統(tǒng)的重要性。鋰離子電芯的不均衡可能導(dǎo)致原本性能良好的電池壽命急劇縮短。Qorvo的PAC2xxxx BMS系列通過(guò)電芯均衡、精確的電壓和電流測(cè)量，以及集成保護(hù)功能解決了這一難題，為戶外電動(dòng)設(shè)備構(gòu)建了可靠的解決方案，使其運(yùn)行時(shí)間和使用壽命達(dá)到最大化。