Ryan Tan 和 Terry Sculley

隨著電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車日益普及，人們越來越需要續(xù)航時(shí)間更長的電動(dòng)自行車/電動(dòng)踏板車電池包。這是因?yàn)槿绻\(yùn)行時(shí)間更長，行駛距離就更遠(yuǎn)，充電頻率也就更低。

為了實(shí)現(xiàn)續(xù)航時(shí)間更長的鋰離子 (Li-ion) 電池，可以選擇兩種方法之一：增加電池總?cè)萘炕蛱岣吣芰坷眯?。增加電池總?cè)萘恳馕吨砑痈嗷蚋玫碾姵仉娦?，這會顯著增加電池包的總成本。而提高能量利用效率可在不增加容量的情況下為設(shè)計(jì)人員提供更多可用能量。提高能量利用效率的方法有兩種：提高荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確性和/或降低電流消耗。

為了延長運(yùn)行時(shí)間，您需要從電池包中獲取盡可能多的能量；但是，如果發(fā)生過度放電，電池將受到永久損壞。為避免電池過度放電，準(zhǔn)確了解電池容量或充電狀態(tài)信息至關(guān)重要。準(zhǔn)確測量充電狀態(tài)的方法有三種：

• 電池電壓測量。
• 庫侖計(jì)數(shù)。
• TI Impedance Track? 技術(shù)。

電池電壓測量最簡單，但它也具有低精度過載條件。庫侖計(jì)數(shù)會隨著時(shí)間的推移測量電流并對其進(jìn)行積分。但是，要實(shí)現(xiàn)更高的充電狀態(tài)精度，需要定期進(jìn)行從滿到空的學(xué)習(xí)周期，而充電狀態(tài)精度會受到自放電和待機(jī)電流的影響。低溫和電池老化也會降低充電狀態(tài)精度。Impedance Track 技術(shù)通過學(xué)習(xí)電池阻抗直接測量放電率、溫度、老化和其他因素的影響。因此，即使在使用老化的電池和低溫的情況下，Impedance Track 方法也能為您提供更高的充電狀態(tài)監(jiān)測精度。

我們的精確計(jì)量和 50μA 待機(jī)電流、13 節(jié)、48V 鋰離子電池包參考設(shè)計(jì)采用 BQ34Z100-R2，這是一款適用于鋰離子、鉛酸、鎳氫和鎳鎘電池的 Impedance Track 電量監(jiān)測計(jì)，并且獨(dú)立于電池串聯(lián)配置工作。此設(shè)計(jì)支持自動(dòng)控制的外部電壓轉(zhuǎn)換電路，以降低系統(tǒng)功耗，讓用戶每次充電可獲得更長的運(yùn)行時(shí)間，而無需擔(dān)心過放電可能造成的損壞。由于電流消耗較低，整個(gè)系統(tǒng)對監(jiān)測結(jié)果的影響非常有限。因此，我使用了 BQStudio 在室溫恒定放電電流下直接從 BQ34Z100-R2 讀取數(shù)據(jù)。圖 1 展示了放電充電狀態(tài)測試結(jié)果。

第二種提高能源利用效率的方法是降低電流消耗。為此，必須考慮電池包中的所有電子產(chǎn)品。電池包中的電池管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測以外的其他功能，包括監(jiān)控電池包是否存在潛在故障以及在檢測到危險(xiǎn)事件時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?。這些功能通過集成電池監(jiān)控器和保護(hù)器以及保護(hù) FET 驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)。精確計(jì)量和 50μA 待機(jī)電流、13 節(jié)、48V 鋰離子電池包參考設(shè)計(jì)使用 BQ76940 和 BQ76200 來實(shí)現(xiàn)這些功能，但 TI 已經(jīng)在 BQ76952 中發(fā)布了更新的集成解決方案，將所有這些功能集成到一個(gè)器件中。

BQ76952 具有測量電池包中每個(gè)電池的電壓的功能，包括電流測量和庫侖計(jì)數(shù)，還支持通過最多 9 個(gè)熱敏電阻進(jìn)行電池包溫度測量。該器件針對不利的電池包狀況提供保護(hù)，包括過壓和欠壓保護(hù)、充電和放電過流保護(hù)、放電短路檢測以及分別針對充電和放電的過溫/欠溫保護(hù)。每當(dāng)出現(xiàn)不利條件時(shí)，BQ76952 首先向 MCU 提供警報(bào)，然后在可編程延遲后發(fā)出故障。該器件還集成了高側(cè) NMOS 保護(hù) FET 驅(qū)動(dòng)器，用于控制電池包充電和放電。每當(dāng)發(fā)生保護(hù)故障時(shí)，該器件都可以自主控制保護(hù) FET 以禁用充電或放電，并可以在條件允許時(shí)重新啟用 FET。該器件還為電池包提供平衡支持，以防止電芯因漏電流和自放電的差異而慢慢變得電壓不等。

這些監(jiān)控、保護(hù)和平衡功能確實(shí)需要額外的電池包電流才能運(yùn)行，但 BQ76952 使用功耗模式來優(yōu)化電池包電流消耗。在有源充電或放電期間，該器件以峰值性能運(yùn)行，并連續(xù)跟蹤電壓、電流和溫度。但是，當(dāng)電池包進(jìn)入空閑狀態(tài)時(shí)，電流降至低背景電平，該器件會自動(dòng)切換到睡眠模式，從而將電池包的功耗降低至 24uA。即使在此模式下，BQ76952 仍在檢測電池包電流，如果充電或放電突然開始，它將立即轉(zhuǎn)換回全功率運(yùn)行狀態(tài)以獲得出色性能。

雖然這可以在電池包送達(dá)客戶手中后降低功耗，但產(chǎn)品在被購買和投入使用之前，往往需要在貨架上或庫存?zhèn)}庫中存放很長時(shí)間。為了更大限度地減小電池包電流并延長此貨架期，BQ76952 還支持消耗 1uA 電流的關(guān)斷模式（也稱為運(yùn)輸模式）和消耗 10uA 電流的深度睡眠模式，以便為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供優(yōu)化電池包功耗的選項(xiàng)。該器件支持在連接充電器、按下裝置上的按鈕或電池包插入系統(tǒng)時(shí)從關(guān)斷模式喚醒。

這一具有精確電池測量和高側(cè) MOSFET 控制功能的 10 節(jié)至 16 節(jié)串聯(lián)電池包參考設(shè)計(jì)提供了一種電池包實(shí)現(xiàn)，其中包括用于監(jiān)控、保護(hù)、電池平衡和 FET 驅(qū)動(dòng)的 BQ76952、用于冗余過壓/欠壓保護(hù)的 BQ77216 次級保護(hù)器、一個(gè) msp430 微控制器和用于與系統(tǒng)其余部分通信的 TCAN1044 CAN 收發(fā)器。下面所示的整個(gè)設(shè)計(jì)在待機(jī)、空閑模式下實(shí)現(xiàn)了 10uA 和 100uA 的運(yùn)輸模式電流。

結(jié)語

總體而言，精確計(jì)量和 50μA 待機(jī)電流、13 節(jié)、48V 鋰離子電池包參考設(shè)計(jì)可（通過 BQ34Z100-R2）實(shí)現(xiàn)精確的充電狀態(tài)監(jiān)測，并（通過優(yōu)化的輔助電源解決方案）降低待機(jī)和運(yùn)輸模式下的電流消耗。此 10 節(jié)至 16 節(jié)串聯(lián)電池包參考設(shè)計(jì)具有精確電池測量和高側(cè) MOSFET 控制參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用于監(jiān)控、保護(hù)、平衡和保護(hù) FET 控制的高能效實(shí)施，可更大限度地降低電流消耗并為終端客戶延長電池運(yùn)行時(shí)間。這兩個(gè)解決方案可共同提升電動(dòng)自行車電池包的能量利用效率，從而為用戶提供更長的使用時(shí)間。

其他資源

• 查看我們的電池管理培訓(xùn)視頻“Impedance Track 優(yōu)勢”。