本文作者：Jonathan Dodge

我正打算購買一臺電池驅(qū)動的割草機，恰好在庭院舊貨攤上看到了一臺?！斑@機器就用過兩次?！辟u家說道，這時我又注意到旁邊還有一臺一模一樣的。它的價格只有新機的一半，于是我便買下了它，開心地把它推回了家。這臺割草機用起來很棒：運行安靜、動力充沛，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，居然冒險買下?！蔽野底载焸渥约?。

此時，我面臨一個抉擇：我可以買一塊新電池，但要是新電池也有問題怎么辦？那樣的話，我花的錢幾乎跟買一臺新割草機差不多了，而且還沒有保修。一想到要重新用回汽油動力割草機，就很抵觸，尤其是在體驗過電池驅(qū)動割草機的安靜與便捷之后。不，我不會回頭的；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電池外殼，取出那組整齊排列的鋰基電池電芯。用萬用表一測，很快就發(fā)現(xiàn)有一個電芯的電壓比其它所有電芯都低?！霸趺磿@樣？”我納悶，“這電池幾乎還是新的啊?！蔽蚁?，或許是這個電芯有缺陷，整個電池組也就成了廢品。反正也沒什么可損失的，我就把可編程電源接在那個電壓低的電芯兩端，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，所以對這類操作已經(jīng)習以為常。如果你缺乏專業(yè)知識和設(shè)備，請不要嘗試對鋰電池組進行操作）。

重新組裝好電池后，充電器成功識別并為其充電。草坪修剪工作順利完成，于是我又拆開電池，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)了這個過程幾次，結(jié)果都一樣。電池沒問題，不再存在電壓弱的電芯?！巴?，我買下那臺割草機可真明智！”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直線下降?！?/p>

其工作原理是這樣的。PAC2xxxx系列的每個BMS都能通過對電壓較高的電芯進行交替式部分放電來實現(xiàn)電芯電壓均衡，放電過程中產(chǎn)生的熱量會通過功率晶體管和電阻耗散出去。這是一種非常簡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載電阻

其內(nèi)部的25Ω MOSFET可支持高達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被用來控制外部晶體管，讓更大的電流通過負載電阻。這種方式可對電池組中任意位置的高電壓電芯進行部分放電。通常情況下，會有多節(jié)電芯電壓偏高；我的電池當時正是這種情況。隨后，PAC2xxxx BMS會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到緊密均衡。這個均衡過程通常在電池充電時進行，不過PAC2xxxx也可以編程設(shè)置為隨時執(zhí)行電芯均衡。

當然，PAC2xxxx系列電池管理系統(tǒng)所具備的功能遠不止均衡電芯電壓。其中，PAC25140尤為引人注目；它搭載150MHz、32位Arm Cortex-M4F微控制器，配備浮點運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，能夠執(zhí)行以下功能：

精準測量所有電芯的電壓及電流

監(jiān)測溫度

在緊急狀況下自動切斷電池電流

電池閑置時斷開連接

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量，為此，每款PAC2xxxx BMS均配備一個專用于電芯電壓測量和安全檢查的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。同時，電池電流的測量同樣也需要高精度，以支持用于電量計和服務(wù)壽命計算的庫侖計數(shù)法。為此，由一個高精度、可編程增益差分放大器驅(qū)動的第二個16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器承擔此項任務(wù)。

圖2，PAC2xxxx局部示意圖，展示了電池斷開/斷路器MOSFET及其內(nèi)部驅(qū)動器，還有自控制熔斷器驅(qū)動器

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

最后，電源管理十分簡便。集成的高壓降壓轉(zhuǎn)換器僅需要一個電感器、一個二極管以及幾個電容器。推薦使用的元件列在數(shù)據(jù)手冊或評估套件中。

圖3，帶有自舉柵極驅(qū)動電源的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”割草機電池的真實案例，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系列通過電芯均衡、精確的電壓和電流測量，以及集成保護功能解決了這一難題，為戶外電動設(shè)備構(gòu)建了可靠的解決方案，使其運行時間和使用壽命達到最大化。