在過去的很長一段時(shí)間內(nèi),中國兩輪電動車的主流都是鉛酸電池,而近年來隨著 “鋰電風(fēng)”的盛行,電動兩輪車的風(fēng)向標(biāo)也在悄然轉(zhuǎn)變。
鋰電池成功上位:內(nèi)外夾擊的推波助瀾
在中國,龐大的人口帶來了多樣化的綠色出行方式,快遞及配送行業(yè)的興起促進(jìn)了及時(shí)配送與共享電單車的需求增長,內(nèi)部的市場需求使得兩輪電動車市場擁有非常大的增長潛力。
與此同時(shí),節(jié)能減排、碳達(dá)峰等政策的推出,讓鉛酸換鋰電、電動車智能化成為大勢所趨。2019年3月26日,工業(yè)和信息化部發(fā)出消息,電動自行車新強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》于2019年4月15日正式實(shí)施。在新國標(biāo)的促進(jìn)作用下,鋰電池在兩輪電動車中的滲透率從曾經(jīng)的不到10%增長到如今的30%左右。
瑕瑜互見的鋰電池兩輪車
鋰電池能夠成功上位,自然與其自身的先天優(yōu)勢密不可分。首先,鋰電池的使用壽命更長,是同類型號鉛酸電池的兩倍,因此耐用價(jià)值更高;其次,它質(zhì)量很輕,電池提取也比較方便;另外,它更加綠色環(huán)保、能量密度大,即使是在鉛酸電池中價(jià)位比較高的石墨烯電池,續(xù)航里程也不一定比鋰電池高。
可萬物都有其兩面性,正因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏雀撸姵貎?nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性強(qiáng),當(dāng)電芯出現(xiàn)過充、過放等非正常使用時(shí),極有可能出現(xiàn)電池?fù)p壞,極端情況下,還會導(dǎo)致起火和爆炸,而近年來鋰電池兩輪電動車發(fā)生的火災(zāi)事故也是屢見報(bào)端。還有,鋰電池的制造工藝及材料成本高也成為其掣肘之一。
瑕瑜互見的鋰電池兩輪車
鋰電池能夠成功上位,自然與其自身的先天優(yōu)勢密不可分。首先,鋰電池的使用壽命更長,是同類型號鉛酸電池的兩倍,因此耐用價(jià)值更高;其次,它質(zhì)量很輕,電池提取也比較方便;另外,它更加綠色環(huán)保、能量密度大,即使是在鉛酸電池中價(jià)位比較高的石墨烯電池,續(xù)航里程也不一定比鋰電池高。
可萬物都有其兩面性,正因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏雀?,電池?nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性強(qiáng),當(dāng)電芯出現(xiàn)過充、過放等非正常使用時(shí),極有可能出現(xiàn)電池?fù)p壞,極端情況下,還會導(dǎo)致起火和爆炸,而近年來鋰電池兩輪電動車發(fā)生的火災(zāi)事故也是屢見報(bào)端。還有,鋰電池的制造工藝及材料成本高也成為其掣肘之一。
如何修補(bǔ)鋰電池的“瑕”
在面對鋰電池安全問題這一頭號“瑕疵”勁敵時(shí),設(shè)計(jì)人員通過分析起火因素,了解到過充電、電池單體故障、電氣線路短路是導(dǎo)致電動車電氣火災(zāi)的根本原因。因此,為了降低安全風(fēng)險(xiǎn),鋰電池必須配備一套可靠的電池管理系統(tǒng)(BMS),用于隨時(shí)監(jiān)控鋰電池的電壓,電流等參數(shù),一旦超過事先設(shè)定的閾值,則直接關(guān)斷電池主回路,保護(hù)電池包的安全。
而兩輪車相比于其他應(yīng)用,安全問題則更加任重而道遠(yuǎn):由于其應(yīng)用環(huán)境十分惡劣,震動幅度更大,溫度范圍更寬;同時(shí)充電不規(guī)范帶來了諸多不可控因素,很多充電系統(tǒng)來自二級市場,安全隱患高。因此,兩輪車應(yīng)用對BMS的保護(hù)需求更高,即更加重視BMS板的魯棒性(Robust)。當(dāng)然,成本也需要控制在可接受的范圍內(nèi)。
鑒于此,MPS推出了非常適應(yīng)市場需求的BMS解決方案,可以從安全、成本兩方面來幫助兩輪車鋰電池“遮瑕”,助力實(shí)現(xiàn)瑕不掩瑜。第一層“遮瑕”:雙重保護(hù),安全可靠
MPS先進(jìn)的模擬前端(AFE)MP2797是一顆用于7-16串BMS電池監(jiān)測保護(hù)芯片,可為兩輪車鋰電池提供完整的軟硬件雙重保護(hù),提高其安全性能。
圖注: MP2797及其典型應(yīng)用電路
首先,MP2797集成了全面的芯片硬件保護(hù)功能:充放電過流保護(hù)(OCP)、單節(jié)電芯及電池組的欠壓保護(hù)(UVP)和過壓保護(hù)(OVP)、電芯高/低溫保護(hù)、芯片高溫保護(hù)等。
其次,除了全方位的硬件保護(hù),MP2797還可以通過多方位的數(shù)據(jù)監(jiān)測,實(shí)時(shí)掌握電池的健康狀況,及時(shí)發(fā)出預(yù)警,做好軟件保護(hù):
電池電壓電流監(jiān)測:通過集成兩個(gè)獨(dú)立的模數(shù)變換器(ADC)可分別對Cell電壓和電流進(jìn)行高精度監(jiān)測,以便實(shí)時(shí)掌握電池組的狀態(tài),更安全地使用電池;
圖注:常溫下,MP2797的ADC電壓測量誤差≤5mV,電流誤差≤0.5%
電池溫度監(jiān)測:MP2797不僅可以測量芯片的溫度,還能復(fù)用15位電壓采樣ADC提供4個(gè)通道進(jìn)行外部 NTC 熱敏電阻的溫度采樣;
圖注:4通道NTC采樣第二層“遮瑕”:BOM簡單,成本效益高
眾所周知,鋰電池自身的成本問題已然束縛了其普及速度,若配套的BMS方案價(jià)格不友好,則更是雪上加霜。
值得稱贊的是MP2797在成本控制方面也十分出色,其三大“王牌”招數(shù)可直接或間接地降低整體方案的成本:
內(nèi)置的軟啟動功能可防止啟動電流過大帶來的安全隱患,而且還直接節(jié)省了外圍預(yù)充電電路
采用極具特色的高邊驅(qū)動,可驅(qū)動多個(gè)并聯(lián) N 溝道 MOSFET,與低邊驅(qū)動相比,節(jié)省了隔離電源和信號隔離器件
內(nèi)部集成最高58mA的被動均衡MOSFET,可以滿足大部分電動兩輪車的均衡需求,節(jié)省外部均衡管的成本,也大大節(jié)省了PCB板面積
最終,MP2797憑借自身的高性能、高性價(jià)比優(yōu)勢,對兩輪車鋰電池管理進(jìn)行了一定程度上的“遮瑕”操作,幫助其揚(yáng)長避短,發(fā)揮最大優(yōu)勢。
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