本文作者：Jonathan Dodge

我正打算購買一臺電池驅動的割草機，恰好在庭院舊貨攤上看到了一臺。“這機器就用過兩次。”賣家說道，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，結果充電器閃起了紅燈，拒絕為其充電。“現在我知道它為什么要出售了。我真傻，居然冒險買下。”我暗自責備自己。

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，很快就發現有一個電芯的電壓比其它所有電芯都低。“怎么會這樣？”我納悶，“這電池幾乎還是新的啊。”我想，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、高壓電源轉換器領域工作多年，所以對這類操作已經習以為常。如果你缺乏專業知識和設備，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。我重復了這個過程幾次，結果都一樣。電池沒問題，不再存在電壓弱的電芯。“哇，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（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。”

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電芯電壓均衡，放電過程中產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，盡管它在技術上并非最為復雜、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

其內部的25Ω MOSFET可支持高達50mA的電流，該限值主要受內部發熱制約。然而，戶外工具通常需要更大的均衡電流，因此內部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也可以編程設置為隨時執行電芯均衡。

當然，PAC2xxxx系列電池管理系統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計，能夠執行以下功能：

精準測量所有電芯的電壓及電流

監測溫度

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位模數轉換器（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壽命計算的庫侖計數法。為此，由一個高精度、可編程增益差分放大器驅動的第二個16位模數轉換器承擔此項任務。

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

每一款PAC2xxxx都配備了全面的保護功能。例如，其內部集成了保護電路及用于驅動外部MOSFET的驅動器；二者協同工作，共同實現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據手冊或評估套件中。

圖3，帶有自舉柵極驅動電源的PAC2xxxx電源管理降壓轉換器

總而言之，這篇關于挽救一塊“故障”割草機電池的真實案例，闡釋了高效電池管理系統的重要性。鋰離子電芯的不均衡可能導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，為戶外電動設備構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。