双电层电容器(EDLC)用电池平衡IC

2014年12月22日

【ROHM半导体(上海)有限公司 12月22日上海讯】
1. 电力电子领域的发展
近年来,以车载领域、工业设备和可再生能源领域为中心,对电力电子技术的关注度越来越高。尤其在车载领域,受汽车尾气排放法规的限制, "提升油耗性能" 已被定位为重要的课题,各汽车厂家均大力开展对相关新技术的研究。为了开发出油耗更低的汽车,不仅仅尝试引进新一代功率元器件来提高功率转换效率,还通过与蓄电装置相结合的深入研究,力争实现系统整体的低功耗与高效能。
另外,以日本市场为首,对汽车的低油耗要求非常苛刻,促进了更加环保的汽车的开发进程。(图1)

(图1)各国的油耗规格变化
(图1)各国的油耗规格变化
※来源:本公司根据富士奇美拉总研 《2013车载电子元器件&组件总调查》 (2012年12月4日发行)作成

2. 蓄电装置的新应用技术
以电动汽车和混合动力车为代表,在车载领域采用大容量蓄电装置已经越来越普及。不仅是以往的铅电池,锂离子电池和大容量电容器也在朝电子化方向发展,相关应用技术的研究也越来越活跃。
蓄电装置根据其种类,在性质上各自具有不同的优缺点,一般区别使用于能够发挥其各自特点的用途中。例如,提到蓄电装置,首先想到的应该是锂离子电池。锂离子电池在智能手机、平板电脑及笔记本电脑相关的产品中应用广泛。因其能量密度(单位面积的蓄电量)性能优异,在混合动力车和电动汽车中也被作为主电池广泛应用。(图2)

(图2)蓄电装置的分类
(图2)蓄电装置的分类

然后是近年来在应用中备受瞩目的双电层电容器(以下称EDLC:Electric Double Layer Capacitor)。EDLC在能量密度方面的性能不如锂离子电池,但在功率密度(单位时间内能处理的电量)方面却具有非常优异的特性。EDLC充放电效率高,可瞬间提供大容量电力。以往,主要安装于移动设备和小型电子设备中,作为在电源电量下降时为CPU供电的备用电源使用。一直以来,几F左右的EDLC产品占据主流市场,但最近大容量化趋势显著,几百F甚至几千F产品类型的市场占有率已逐步提升。(图3、4)

(图3)大容量电容器市场规模推移和预测
(图3)大容量电容器市场规模推移和预测
※来源:(株)矢野经济研究所 《关于2013年大容量电容器市场的调查结果》 (2013年7月3日发行)

(图4)双电层电容器(EDLC)单元
(图4)双电层电容器(EDLC)单元
来源:日本贵弥功株式会社

大容量电容器主要作为瞬低时的备用电源、再生能源相关装置的电源不稳定时的备用电源、以及起重机等工业用设备和工程机械中的能源再生装置等使用。其用途可能并不是身边常见的领域,但近年来,着眼于其功率密度和充放电特性优于其他蓄电装置的优势,已开始在汽车领域中应用。其结构机理是,在再生制动系统部分,通过将制动时产生的能量在短时间内充入到充电效率良好的EDLC中,并给车内的电子系统供电,来辅助以往由引擎发电和铅电池承担的电力。
此外,EDLC还具有反复充放电导致的性能劣化少,低烟难燃、组成材料不含重金属的特点,比起其他蓄电装置具备寿命长、安全、环保等优势。
现在也已经开始利用这些特点,对进一步将其与锂离子电池之类的二次电池拥有的优势相结合的新应用和可能性展开研究。

3. EDLC所需的电池平衡电路

EDLC每节电池的电压一般约为2.5V。例如,作为12V电源线的备用电源使用时,将5节或6节电池串联连接即可组成约12V的电源。此时,需要使各节电池的电压均衡,因此需要控制电池平衡的电路。因为如果各节电池的电压不均衡,则施加于某一节电池的电压就会偏高,从而导致电池劣化。由于EDLC本身具有寿命长的特点,因此,使电池电压平衡是使其充分发挥其性能特点的有效方法。

4. EDLC用电池平衡IC "BD14000EFV-C" 

ROHM此次开发出专用于EDLC的电池平衡IC "BD14000EFV-C" 。该产品不仅具有EDLC的电池平衡功能,还具备各种监测功能。使用该产品,可构筑安全且具有卓越可靠性的EDLC系统。
下面详细介绍产品的主要特点。

(1) 将电池平衡功能集成于1枚芯片,确保高可靠性并大大减少元器件数量
此次开发的BD14000EFV-C,仅1枚IC即可控制4 ~ 6节电池的EDLC。产品采用简单的分流方式,可通过外置电阻设定分流电流值。通过该IC本身的ON / OFF来控制内置的MOS开关,从而实现各节电池的电压均衡。也就是说,仅仅通过该IC即可用非常简单的结构轻松实现电池平衡功能。(图5)

(图5)BD14000EFV-C的框图
(图5)BD14000EFV-C的框图

例如,用分立元器件组成这样的电池平衡电路时,每节电池都需要复杂的平衡电路,以致需要庞大的元器件数量。为提高安全性而设置过电压检测电路时,也需要相应的元器件,带来安装面积增加、管理的元器件项目増加、成本增加等负担。另外,由于使用的元器件数量过多,每个产品的差异使确保可靠性也成为很艰难的课题。
本产品不仅将所搭载元器件集于一体,而且设计为IC产品,可实现更高性能,还可使电池电压规格不同的产品的众多电池平衡电路实现标准化,从而非常有助于减少管理元器件的数量。(图6)

(图6)单芯片集成,使设计更简单
(图6)单芯片集成,使设计更简单

(2) 便捷的扩展性
可根据不同的EDLC元件耐压、用途、充放电频率及温度环境等,将电池平衡电压设定到最佳值。BD14000EFV-C通过将VSET0~2的3个端子分别设定为High或Low,可在2.4V ~ 3.1V之间设定电池平衡电压,因而可支持各种EDLC应用。
检测电压精度在常温(Ta=25ºC)下确保±1.0%(MAX),在-40 ~ 105ºC的工作温度范围下,确保±2.0%(MAX)。
不仅如此,还可将多个BD14000EFV-C串联连接,来支持高电压应用(备用电源、工程机械等)。(图7)

(图7)支持各种EDLC
(图7)支持各种EDLC

(3) 可分两档监测过电压的安全设计
可分两档双重监测EDLC电池电压的过电压情况。
VO_OVLO1端子检测第1档的过电压值,并FLAG输出到微控制器。当检测到第2档的过电压值时,则VO_OVLO2端子FLAG输出。因此,无论哪节电池产生劣化迹象,系统均可识别,并显示电池的更换时间提示。
关于过电压值,第1档电池平衡电压可从+0.15V或+0.25V两种模式中选择,第2档电池平衡电压可从+0.3V或+0.5V两种模式中选择。可将OVLOSEL端子切换为High或Low进行设定。

(4) 内置电池检测功能,监测电池平衡
BD14000EFV-C内置有称为 "电池检测功能" 的监测功能。所有通道的内置分流开关均正常工作,FLAG输出到VO_OK端子。由此,可确认EDLC模块的状态是否完全实现电池平衡。
没有这种功能的电池平衡电路,需要在检查工序中逐节确认所有通道的电池平衡功能是否正常运行。而使用该功能,可通过识别VO_OK端子的输出,确认电池平衡功能是否正常运行,具有缩减检查时间和成本的优势。ROHM现正在申请专利。

(5) 无迟滞,可减少不必要的电流消耗
在电池平衡用的检测电路中,采用无迟滞式比较器。(图8)

(图8)有无迟滞功能的电流消耗比较
(图8)有无迟滞功能的电流消耗比较

采用有迟滞的比较器时,解除电压低于检测电压,当检测解除时,即使电池电压比检测电压低,由于电池平衡开关处于ON的状态,因此会产生不必要的分流电流消耗。而采用无迟滞式比较器时,检测电压和解除电压相同,当检测解除时,电池电压一旦低于检测电压,电池平衡开关就会OFF,不会产生不必要的分流电流消耗。可见,通过使用无迟滞式比较器,实现了高效率的电池平衡。

(6) 车载级品质
BD14000EFV-C的规格满足国际质量标准AEC-Q100。在车载相关的应用中也可放心使用。

5. 总结

综上所述,BD14000EFV-C将对EDLC电池平衡电路的要求集成于1枚芯片,实现了安心且可靠性优异的EDLC系统。不仅如此,还非常有助于减轻设计负担,缩短开发周期。ROHM将会利用多年来积累的模拟设计技术,不断促进更加环保的蓄电装置的应用普及。

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