踏板动力解决方案：为电动自行车和电动摩托车提供续航时间更长的13S、48V锂离子电池组

2019-06-18 13:20:18 德州仪器

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随着电动自行车和电动摩托车越来越受欢迎，消费者对电池组的续航能力也提出了更高的要求。延长电池组的续航时间可让车辆行驶更远里程而无需频繁充电。

可以通过以下两种方法来提高锂离子（Li-ion）电池组的续航能力：增大电池总容量或提高能效。增大电池总容量意味着要使用更多或性能更佳的电池单元，这会显著增加电池组的总体成本。而提高能效可在不增加容量的情况下为设计人员提供更多的可用能源。有两种方法可以提高能效：提高荷电状态精度和/或降低电流消耗。

要获得更长的运行时间，需要从电池组中吸收尽可能多的能量；但若发生过过度放电，电池将被永久损坏。为避免电池过度放电，准确了解电池容量或荷电状态信息至关重要。有三种方法可准确测量荷电状态：

·        电池电压测量。
·        库仑计数。
·        TI Impedance Track™技术。

电池电压测量是最简易的方法，但它也具有低精度的过载条件。库仑计数测量并随时间积分电流。但是，实现更佳的荷电状态精度需要定期的全转-空转学习周期，且荷电状态精度将受到自放电和待机电流的影响。低温和老化的电池也会降低荷电状态的精度。Impedance Track技术通过学习电池阻抗直接测量放电速率、温度、寿命和其他因素的影响。因此，即使电池老化和温度过低，Impedance Track方法也能为您提供更佳的荷电状态测量精度。

我们的精确测量和50μA待机电流，13S、48V锂离子电池组参考设计使用BQ34Z100-G1，一种用于锂离子、铅酸、镍金属氢化物和镍镉电池的Impedance Track电量计，且独立于电池串联电池配置工作。此设计支持外部电压转换电路。该电路可自动控制以降低系统功耗，并在每次充电时为用户提供更长的运行时间，而无需担心过度放电可能造成的损坏。由于电流消耗低，整个系统对测量结果的影响非常有限。因此，我们会在室温恒定放电电流下通过BQStudio直接从BQ34Z100-G1读取数据。图1所示为放电荷电状态测试结果。

图1：恒定放电电流下的放电荷电状态测试结果

提高能效的第二种方法是降低电流消耗。精确的测量参考设计引入了优化的偏置电源解决方案，如图2所示。

图2：整个系统偏置功率图

此设计利用我们新的LM5164作为辅助电源。该100 V LM5164是一款宽输入、低静态电流降压DC-DC转换器，可保护系统免受标称48 V电池的潜在瞬态影响，并为3.3 V微控制器（MCU）和BQ34Z100-G1供电。LM5164的输入由两个信号控制：来自BQ76940的REGOUT和来自MSP430™ MCU的SYS。这两个信号中的任何一个均为高电平，将导通Q1并启用LM5164的输入 - 从而启用MCU电源。电路板刚出厂且电池管理电路板首次通电时，它处于出厂模式。除BQ76940外，整个系统未上电，实现低至5-μA的出厂模式电流消耗。按下按钮S1将REGOUT设置为高电平并打开系统电源。当MCU上电时，它会将SYS设置为高电平。无论BQ76940处于关闭模式还是正常模式，整个系统都具有稳定的电源。

您需要打开MCU电源才能在待机模式下实现所有电动自行车的电池组功能，包括充电器连接/拆卸和负载连接/拆卸。Q1应该通电。要降低待机模式电流消耗，BQ76940通过I2C命令设置为关机模式。因此SYS为高电平，将Q1保持为通电状态。LM5164设置为低开关频率，以降低开关损耗，而MSP430 MCU处于低功耗模式。所有充电器连接/拆卸和负载连接/拆卸检测均通过固件实现。待机电流消耗通常为50μA，如图3所示。图4所示为主板的出厂模式电流消耗。

图3：待机模式电流消耗

图4：出厂模式电流消耗

结论

总之，参考设计实现了精确的荷电状态测量（通过BQ34Z100-G1)，并降低了待机和出厂模式电流消耗（通过优化的偏置电源解决方案）。这两种解决方案共同提高了电动自行车电池组的能效，为用户提供了更长的使用时间。

其他资源

· 查看我们的电池管理培训视频：“Impedance Track的优势”。

关键词：德州仪器锂离子电池组

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