TI BQ40Z80 单芯片电池包管理器 — Impedance Track 电量计 / 集成保护 / SHA-1 认证(2S–6S 小型包)

先把零件的硬参数钉死,后面所有讨论都基于这张表。注意 cell 数是 2S–6S(不是某些资料误传的 1S–4S),封装是 VQFN-32,商规 catalog,无 AEC-Q100。

Impedance Track 的全部学习都挂在一个由电流方向驱动的三态机上,因为不同状态能观测到不同的物理量。只有静置(RELAX)态能读到真 OCV(电流落到 Quit Current 以下并保持 Chg/Dsg Relax Time),所以 Qmax 更新和 OCV 更新只在 RELAX 发生;只有放电(DISCHARGE)态有可观测的内阻压降,所以 Ra 阻抗表只在 DISCHARGE 更新。状态切换由 Chg Current Threshold / Dsg Current Threshold / Quit Current 三组阈值 + relax 计时器控制。

Qmax 是"电池满充满放能装的化学电荷量",它会随老化下降,是 SOH 的物理基础。BQ40Z80 学 Qmax 的办法非常巧妙:取两次 RELAX 态 OCV 读数(一次充满后、一次放掉后),各自经 OCV–DOD 曲线反推出两个 depth-of-discharge(DOD0 和 DOD1),再除以这两点之间库仑积分到的电荷量,即 $Qmax=\frac{\Delta Q}{DO{D}_1-DO{D}_0}$。

要触发一次合格的 Qmax 更新,必须同时满足若干硬条件,否则 OCV 不可信:dV/dt 必须 < 4 µV/s(电压已稳)——典型充满后等约 2 小时、放掉后约 5 小时才满足;两次 OCV 之间 容量差 ≥ 37% DesignCapacity(差太小信噪比差);温度落在 10–40°C;两次 OCV 都不能落在化学的"平坦电压区"(LFP 在 30–70% SOC 几乎没坡度,见 §2.5);offset 累积误差 < 1% DesignCapacity。Fast Qmax 选项把"两次 OCV"放宽成"一次 OCV + 放到 10% RSOC 以下",用于缩短产线学习周期。

cell 的内阻不是一个常数,它随 DOD(放电深度)显著变化——满电和近空时阻抗高,中段低。BQ40Z80 为 每节 cell 维护一张 15 点的 Ra 表(网格点 0 = 满充阻抗,…,14 = 放空阻抗),覆盖 0–100% DOD。放电过程中,固件把"按 OCV–SOC 曲线本应有的开路电压"减去"实测端电压"得到该 DOD 点的压降,除以电流即得该点阻抗,在线刷进 Ra 表。RScale 阻抗缩放因子把整张表按温度/老化等比缩放,使任意温度/负载下都能算出"还原后的 OCV"。

为防止把坏数据写进寿命参数,Ra 更新有多重门禁:充电累积误差 > 2% DesignCapacity 时禁更新;算出负阻抗或坏 RScale 时丢弃;RFACTSTEP 把单次(老 Ra)/(新 Ra)比值钳到最多 3 倍。两套 Ra 表交替写(x 表 / 非 x 表),避免反复擦写磨损数据闪存。

很多人把 SOH 简单理解成"现在满容量 ÷ 设计容量(FCC/DC)",但 BQ40Z80 的 TRM 明确指出这是个坏指标:runtime FCC 受当前负载和温度污染——大电流放电会压低 runtime FCC,于是同一块好电池在大负载下算出的 SOH 比小负载下低,但这并不代表电池真的退化了。BQ40Z80 的 SOH() 改用 在 25°C、按用户设定的 SOH Load Rate 仿真出来的 FCC 来算,剥离了温度和电流的影响,因此是更纯粹的"电池健康度"表征。这是 Impedance Track(有阻抗模型可做仿真)相对纯统计法的一个独有能力。

把三条 SOC 路线放在一起看,差异在"真值从哪来、算在哪、对静置的依赖":

结论:对 HV 牵引堆栈,EKF 在 host 跑是主流(算力够、要融合多 cell + 多温度 + plausibility,见 SOC EKF 深度);对小型包,Impedance Track 把这套搬进片内固件,host 不必懂算法,代价是接受 IC 选型 + 出厂学习周期 + RELAX 态读 OCV 的延迟。两者不是谁取代谁,是 pack 规模与系统分工不同。

BQ40Z80 的功能框图里,真正区别于纯 AFE 的是 一颗 bqBMP CPU + 程序闪存(Instruction Flash)+ 数据闪存(Data Flash EEPROM)+ SRAM。Impedance Track 固件跑在这颗 CPU 上,Qmax/Ra 表、所有保护阈值、chemistry profile、寿命数据都存在数据闪存里——这就是"算法和参数都不出片"的物理载体。围着 CPU 的是模拟外设:cell/stack/pack 电压测量、积分型库仑 ADC(SRP/SRN 跨采样电阻)、高边 N-ch FET 驱动(带电荷泵)、P-ch 预充驱动、cell balancing FET、NTC 偏置(最多 4 路外部 + 1 内部温度)、化学熔丝控制、SMBus 高压翻译。

包规模:2–6S 单包 → BQ40Z80;几十~几百 cell 的 HV 堆栈 → 必须 daisy-chain AFE(BQ40Z80 串不起来)。host 算力预算:没有/不想要专用 host MCU,要"插上就出 SOC" → BQ40Z80;已有强 host MCU 且要自研融合算法/plausibility → AFE。BOM 与体积:极致省 BOM/省板面(工具、医疗、备份)→ 集成;车规与 ASIL:要 AEC-Q100 + ASIL D 系统能力 → 走 BQ79616-Q1 / ADBMS6830 路线(BQ40Z80 无车规版,见 §6)。一句话:BQ40Z80 是"小、省、自带大脑";daisy-chain AFE 是"大、强、host 主导"。

一级保护是"日常守门员",触发后只是 关 CHG 或 DSG FET 切断充/放电回路,故障消失后可恢复,不损坏电池。它覆盖一长串可配置阈值:cell 过压/欠压(及温度补偿欠压)、充/放电过流、放电过载、充/放电短路、各种过/欠温(含 FET 过温)、预充超时、host 看门狗超时、快充超时、过充(电压/电流/预充电流)。每项都有 Threshold + Delay,经 Alert(报警标志置位)→ 持续超时 → Trip(动作)的去抖流程,避免瞬态误触发。

当故障严重到"绝不能让这块包再上电"时,一级的 FET 切断已不够(FET 可能被旁路或失效),需要 物理上永久断开。BQ40Z80 通过 FUSE 引脚驱动一颗化学熔丝(chemical fuse):FUSE 输出典型 7 V(范围 6–8.65 V,需 VBAT ≥ 8 V),点燃 Dexerials/Uchihashi 等化学熔丝里的发热元件,熔丝物理熔断且不可恢复。FUSE 还能由外部二级保护 IC(bq7718xx)独立触发——双触发源意味着即便 BQ40Z80 自己失效,外部保护器仍能炸熔丝。二级保护针对的是一级保护层级之上的"安全级"事件(safety OV/UV/OT)和一批 电量计独有的退化型失效(下节)。

PF 是设备级别的"自毁"决策,一旦某个 PFStatus() 位置位,按固定顺序执行:关 PCHG/CHG/DSG 三个 FET → 置 OperationStatus[PF] 与电池状态报警位 → 把 ChargingCurrent/Voltage 报 0 → 把全套 AFE 硬件寄存器备份进数据闪存 → 把 PF 前最后三次 SafetyStatus 变化写入黑匣子 → 锁定数据闪存(只允许再记 PF 标志)→ 若配置则驱动 FUSE 高炸熔丝。

PF 项里有一类是 纯电量计才能做的退化检测,这是单芯片集成的独有价值——AFE-only 方案没有片内 Qmax/Ra 就做不了:Qmax 失衡 PF(某节容量远低于其它节,$\frac{\max (Qmax)-\min (Qmax)}{Qmax,pack}$ 超阈)、阻抗失衡 PF(某节 Ra 远高于其它节)、容量退化 PF(Qmax pack 跌破阈值)、cell 平衡失衡 PF(某节平衡时间远超其它节,暗示该节漏电/退化)、静置/带载电压失衡 PF。普通 AFE 只能做电压/电流/温度的瞬态 PF,做不到这些"基于容量/阻抗的慢性退化"判定。

事故分析最怕"现场已毁、无从复盘"。BQ40Z80 的 Black Box Recorder 持续在内存里滚动保存 最近三次 SafetyStatus 变化;一旦进入 PF,把这三次 + PF 后头三次 PFStatus + 各自的时间差 一并写进数据闪存,并同时固化一批关键 SBS 快照(SafetyAlert/SafetyStatus/PFAlert/PFStatus/OperationStatus/ChargingStatus/GaugingStatus、各 cell 电压、电流、各路温度、cell DOD0 与已通过电荷)。这相当于电池包的 飞行记录仪:RMA 退回的包能直接读出"死前发生了什么",对功能安全的现场分析(field monitoring / 失效溯源)极有价值。

品牌商需要"只认正品电池"以防劣质电池烧坏主机后甩锅。BQ40Z80 支持两套挑战–应答认证(Auth Config[LEGACY_SHA1] 二选一):SHA-1/HMAC 用 160-bit 摘要 + 128-bit 密钥,host 发随机消息 M,双方各算 $HMAC=H[K\Vert H(K\Vert M)]$(K = 前述 128-bit 密钥),比对一致即认证;ECC(163-bit EC-KCDSK 椭圆曲线)更强,私钥只存在电量计的安全存储里、永不外泄,host 发 ≤ 20 字节挑战,IC 返回 42 字节签名 (R,S),host 验签。配套的 SEALED → UNSEALED → FULL ACCESS 三级访问:出厂 SEALED 只开标准 SBS;UNSEALED(发两字密钥,默认 0x0414/0x3672)开扩展寄存器;FULL ACCESS 开全部数据闪存。一旦 SEALED 就不能永久退回(POR 后回 SEALED),配合 Tamper Protection(TS 引脚被打超量程会擦掉数据闪存)防密钥被硬件破解。