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踏板動力解決方案：為電動自行車和電動摩托車提供續航時間更長的13S、48V鋰離子電池組

2019-06-18 13:20:18 德州儀器

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隨著電動自行車和電動摩托車越來越受歡迎，消費者對電池組的續航能力也提出了更高的要求。延長電池組的續航時間可讓車輛行駛更遠里程而無需頻繁充電。

可以通過以下兩種方法來提高鋰離子（Li-ion）電池組的續航能力：增大電池總容量或提高能效。增大電池總容量意味著要使用更多或性能更佳的電池單元，這會顯著增加電池組的總體成本。而提高能效可在不增加容量的情況下為設計人員提供更多的可用能源。有兩種方法可以提高能效：提高荷電狀態精度和/或降低電流消耗。

要獲得更長的運行時間，需要從電池組中吸收盡可能多的能量；但若發生過過度放電，電池將被永久損壞。為避免電池過度放電，準確了解電池容量或荷電狀態信息至關重要。有三種方法可準確測量荷電狀態：

·        電池電壓測量。
·        庫侖計數。
·        TI Impedance Track™技術。

電池電壓測量是最簡易的方法，但它也具有低精度的過載條件。庫侖計數測量并隨時間積分電流。但是，實現更佳的荷電狀態精度需要定期的全轉-空轉學習周期，且荷電狀態精度將受到自放電和待機電流的影響。低溫和老化的電池也會降低荷電狀態的精度。Impedance Track技術通過學習電池阻抗直接測量放電速率、溫度、壽命和其他因素的影響。因此，即使電池老化和溫度過低，Impedance Track方法也能為您提供更佳的荷電狀態測量精度。

我們的精確測量和50μA待機電流，13S、48V鋰離子電池組參考設計使用BQ34Z100-G1，一種用于鋰離子、鉛酸、鎳金屬氫化物和鎳鎘電池的Impedance Track電量計，且獨立于電池串聯電池配置工作。此設計支持外部電壓轉換電路。該電路可自動控制以降低系統功耗，并在每次充電時為用戶提供更長的運行時間，而無需擔心過度放電可能造成的損壞。由于電流消耗低，整個系統對測量結果的影響非常有限。因此，我們會在室溫恒定放電電流下通過BQStudio直接從BQ34Z100-G1讀取數據。圖1所示為放電荷電狀態測試結果。

圖1：恒定放電電流下的放電荷電狀態測試結果

提高能效的第二種方法是降低電流消耗。精確的測量參考設計引入了優化的偏置電源解決方案，如圖2所示。

圖2：整個系統偏置功率圖

此設計利用我們新的LM5164作為輔助電源。該100 V LM5164是一款寬輸入、低靜態電流降壓DC-DC轉換器，可保護系統免受標稱48 V電池的潛在瞬態影響，并為3.3 V微控制器（MCU）和BQ34Z100-G1供電。LM5164的輸入由兩個信號控制：來自BQ76940的REGOUT和來自MSP430™ MCU的SYS。這兩個信號中的任何一個均為高電平，將導通Q1并啟用LM5164的輸入 - 從而啟用MCU電源。電路板剛出廠且電池管理電路板首次通電時，它處于出廠模式。除BQ76940外，整個系統未上電，實現低至5-μA的出廠模式電流消耗。按下按鈕S1將REGOUT設置為高電平并打開系統電源。當MCU上電時，它會將SYS設置為高電平。無論BQ76940處于關閉模式還是正常模式，整個系統都具有穩定的電源。

您需要打開MCU電源才能在待機模式下實現所有電動自行車的電池組功能，包括充電器連接/拆卸和負載連接/拆卸。Q1應該通電。要降低待機模式電流消耗，BQ76940通過I2C命令設置為關機模式。因此SYS為高電平，將Q1保持為通電狀態。LM5164設置為低開關頻率，以降低開關損耗，而MSP430 MCU處于低功耗模式。所有充電器連接/拆卸和負載連接/拆卸檢測均通過固件實現。待機電流消耗通常為50μA，如圖3所示。圖4所示為主板的出廠模式電流消耗。

圖3：待機模式電流消耗

圖4：出廠模式電流消耗

結論

總之，參考設計實現了精確的荷電狀態測量（通過BQ34Z100-G1)，并降低了待機和出廠模式電流消耗（通過優化的偏置電源解決方案）。這兩種解決方案共同提高了電動自行車電池組的能效，為用戶提供了更長的使用時間。

其他資源

· 查看我們的電池管理培訓視頻：“Impedance Track的優勢”。

關鍵詞：德州儀器鋰離子電池組