ZHCT524A March 2019 – May 2024 BQ34Z100-G1 , BQ34Z100-R2 , BQ76200 , BQ76940 , BQ76952 , BQ77216 , LM5163 , LM5164
隨著電動自行車和電動踏板車日益普及，人們越來越需要續航時間更長的電動自行車/電動踏板車電池包。這是因為如果運行時間更長，行駛距離就更遠，充電頻率也就更低。
為了實現續航時間更長的鋰離子 (Li-ion) 電池，可以選擇兩種方法之一：增加電池總容量或提高能量利用效率。增加電池總容量意味著添加更多或更好的電池電芯，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計人員提供更多可用能量。提高能量利用效率的方法有兩種：提高荷電狀態的準確性和/或降低電流消耗。
| 使用壽命更長的 13 節電池包可助您輕松遠行 | |
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為了延長運行時間，您需要從電池包中獲取盡可能多的能量；但是，如果發生過度放電，電池將受到永久損壞。為避免電池過度放電，準確了解電池容量或充電狀態信息至關重要。準確測量充電狀態的方法有三種：
- 電池電壓測量。
- 庫侖計數。
- TI Impedance Track? 技術。
電池電壓測量最簡單，但它也具有低精度過載條件。庫侖計數會隨著時間的推移測量電流并對其進行積分。但是，要實現更高的充電狀態精度，需要定期進行從滿到空的學習周期，而充電狀態精度會受到自放電和待機電流的影響。低溫和電池老化也會降低充電狀態精度。Impedance Track 技術通過學習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監測精度。
我們的精確計量和 50μA 待機電流、13 節、48V 鋰離子電池包參考設計采用 BQ34Z100-R2，這是一款適用于鋰離子、鉛酸、鎳氫和鎳鎘電池的 Impedance Track 電量監測計，并且獨立于電池串聯配置工作。此設計支持自動控制的外部電壓轉換電路，以降低系統功耗，讓用戶每次充電可獲得更長的運行時間，而無需擔心過放電可能造成的損壞。由于電流消耗較低，整個系統對監測結果的影響非常有限。因此，我使用了 BQStudio 在室溫恒定放電電流下直接從 BQ34Z100-R2 讀取數據。圖 1 展示了放電充電狀態測試結果。
圖 1 恒定放電電流下的放電充電狀態測試結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品。電池包中的電池管理系統需要實現電量監測以外的其他功能，包括監控電池包是否存在潛在故障以及在檢測到危險事件時采取適當的措施。這些功能通過集成電池監控器和保護器以及保護 FET 驅動電路來實現。精確計量和 50μA 待機電流、13 節、48V 鋰離子電池包參考設計使用 BQ76940 和 BQ76200 來實現這些功能，但 TI 已經在 BQ76952 中發布了更新的集成解決方案，將所有這些功能集成到一個器件中。
BQ76952 具有測量電池包中每個電池的電壓的功能，包括電流測量和庫侖計數，還支持通過最多 9 個熱敏電阻進行電池包溫度測量。該器件針對不利的電池包狀況提供保護，包括過壓和欠壓保護、充電和放電過流保護、放電短路檢測以及分別針對充電和放電的過溫/欠溫保護。每當出現不利條件時，BQ76952 首先向 MCU 提供警報，然后在可編程延遲后發出故障。該器件還集成了高側 NMOS 保護 FET 驅動器，用于控制電池包充電和放電。每當發生保護故障時，該器件都可以自主控制保護 FET 以禁用充電或放電，并可以在條件允許時重新啟用 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。
這些監控、保護和平衡功能確實需要額外的電池包電流才能運行，但 BQ76952 使用功耗模式來優化電池包電流消耗。在有源充電或放電期間，該器件以峰值性能運行，并連續跟蹤電壓、電流和溫度。但是，當電池包進入空閑狀態時，電流降至低背景電平，該器件會自動切換到睡眠模式，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，它將立即轉換回全功率運行狀態以獲得出色性能。
雖然這可以在電池包送達客戶手中后降低功耗，但產品在被購買和投入使用之前，往往需要在貨架上或庫存倉庫中存放很長時間。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 電流的關斷模式（也稱為運輸模式）和消耗 10uA 電流的深度睡眠模式，以便為系統設計人員提供優化電池包功耗的選項。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時從關斷模式喚醒。
這一具有精確電池測量和高側 MOSFET 控制功能的 10 節至 16 節串聯電池包參考設計提供了一種電池包實現，其中包括用于監控、保護、電池平衡和 FET 驅動的 BQ76952、用于冗余過壓/欠壓保護的 BQ77216 次級保護器、一個 msp430 微控制器和用于與系統其余部分通信的 TCAN1044 CAN 收發器。下面所示的整個設計在待機、空閑模式下實現了 10uA 和 100uA 的運輸模式電流。
結語
總體而言，精確計量和 50μA 待機電流、13 節、48V 鋰離子電池包參考設計可（通過 BQ34Z100-R2）實現精確的充電狀態監測，并（通過優化的輔助電源解決方案）降低待機和運輸模式下的電流消耗。此 10 節至 16 節串聯電池包參考設計具有精確電池測量和高側 MOSFET 控制參考設計，實現了用于監控、保護、平衡和保護 FET 控制的高能效實施，可更大限度地降低電流消耗并為終端客戶延長電池運行時間。這兩個解決方案可共同提升電動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間。
其他資源
- 查看我們的電池管理培訓視頻“Impedance Track 優勢”。