1.前言

隨著送貨服務(wù)需求的快速增長，電動(dòng)摩托車（e-motorcycle）作為一種運(yùn)輸方式越來越受歡迎，因?yàn)樗碾姵厝萘窟h(yuǎn)大于電動(dòng)自行車/電動(dòng)滑板車的電池。更大的容量可以延長乘車時(shí)間，這有助于節(jié)省時(shí)間并實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的交付。

一個(gè)電動(dòng)摩托車電池組有多個(gè)電壓平臺(tái)，但最流行的是 60 V，這需要 17 個(gè)串聯(lián) (17S) 鋰離子 (Li-ion) 電池組。

產(chǎn)生更長的運(yùn)行時(shí)間需要解決三個(gè)設(shè)計(jì)問題：

· 電池電壓檢測(cè)精度高，可進(jìn)行準(zhǔn)確的充電狀態(tài)計(jì)算。

· 電池電壓平衡。

· 低系統(tǒng)電流消耗，尤其是在待機(jī)模式下。

具有低電流消耗的16S-17S電池組參考設(shè)計(jì) 解決了每個(gè)設(shè)計(jì)問題。它使用BQ76940 電池監(jiān)視器用于電池組的下部 15S，并使用LM2904B 雙通道通用放大器來準(zhǔn)確檢測(cè)上部兩個(gè)電池的電壓。添加外部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 可實(shí)現(xiàn)更大的電池平衡能力。圖 1 是電池組參考設(shè)計(jì)的框圖。

圖1：16S-17S電池組框圖

2.高電池電壓檢測(cè)精度
的 BQ76940 直接監(jiān)視低15S電池單元，并確定電池電壓精度。典型精度在 25°C 時(shí)為 ±15 mV，范圍為 3.2 V 至 4.6 V。如有必要，額外校準(zhǔn)有助于進(jìn)一步提高精度。圖 2 所示的分立電路決定了上面兩個(gè)電池的精度。

圖 2：兩個(gè)上部電池的分立電路圖

我們以第 17 個(gè)單元格為例。一個(gè)LM2904B 通道與 P 通道 MOSFET Q25、R89 和 R96 一起作為負(fù)反饋電路工作，而 Q25 工作在線性模式。通用放大器的負(fù)輸入電壓等于正輸入電壓，即第16節(jié)電池的電壓。第 17 節(jié)電池電壓跨過 R89 并產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流將流經(jīng) Q25 和 R96 并返回接地，類似于第 16 節(jié)電池。

可以通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測(cè)量 ADC_16 和 ADC_17 電壓來監(jiān)控第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池電壓?？紤]到 R89、R96、R87、R94 和 ADC 基準(zhǔn)的容差，需要兩點(diǎn)校準(zhǔn)才能獲得更高的精度。圖 3 顯示了兩點(diǎn)校準(zhǔn)過程。

圖 3：兩點(diǎn)校準(zhǔn)過程

在實(shí)驗(yàn)室，我測(cè)試了校準(zhǔn)后的第16節(jié)和第17節(jié)電池電壓準(zhǔn)確度；結(jié)果如圖 4 所示。典型精度達(dá)到 ±2 mV。

圖 4：第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池電壓精度（25°C 時(shí)）

3.電池平衡
由于第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池由分立電路監(jiān)控，而較低的 15 節(jié)電池由BQ76940 監(jiān)控，因此您必須考慮對(duì)電池均衡的影響。

圖 5 顯示了主要的電流路徑。紅色是通用放大器電源路徑，綠色是第 17 節(jié)電池的感應(yīng)路徑，灰色是第 16 節(jié)電池的感應(yīng)路徑。通用放大器電源從整個(gè)電池組中汲取能量并流回地面，從而使電池組放電且不會(huì)導(dǎo)致不平衡。第 17 個(gè)電池的感應(yīng)路徑也從整個(gè)電池組中吸取能量并流回地面，這也不會(huì)導(dǎo)致不平衡。但是第 16 節(jié)電池的感應(yīng)路徑僅從較低的 16 節(jié)串聯(lián)電池汲取能量，這將導(dǎo)致第 17 節(jié)電池和較低的 16 節(jié)電池之間出現(xiàn)電壓間隙。這種不平衡僅在檢測(cè)到第 16 節(jié)電池電壓時(shí)發(fā)生。

為了減少不平衡，當(dāng)沒有感應(yīng)到第 16 節(jié)電池時(shí)關(guān)閉 Q21——并在計(jì)算不平衡效應(yīng)時(shí)考慮 Q21 控制電路電流。

根據(jù)此處的分析并假設(shè)電壓檢測(cè)周期為 250 ms，該電池組參考設(shè)計(jì)的典型不平衡電流小于 0.1 μA。

圖 5：分立電路的電流路徑圖

4.低系統(tǒng)待機(jī)電流消耗
現(xiàn)在，我想簡單討論一下如何降低待機(jī)模式下分立電路的電流消耗。待機(jī)模式下既不充電也不放電。電池電壓感應(yīng)是為了保護(hù)，您通常可以通過增加空閑時(shí)間來降低頻率。為了降低待機(jī)模式下的功耗，您可以在不需要電壓檢測(cè)時(shí)關(guān)閉電路。

圖 2 中的解決方案使用 P 溝道 MOSFET Q20 將電源切換到 LM2904B，并由微控制器控制。為了進(jìn)一步降低電流，我添加了 Q22 和 Q21 以切斷電池電壓感應(yīng)路線并節(jié)省更多能量。假設(shè)電壓檢測(cè)周期為 250 ms，空閑時(shí)間為 250 ms，待機(jī)時(shí)的平均電流消耗將相當(dāng)?shù)?。圖 2 所示解決方案中的典型電流小于 1 μA。

5.結(jié)論
總體而言，該參考設(shè)計(jì)提供了一種具有成本競(jìng)爭力的電池組解決方案，可覆蓋高達(dá) 17S 的電芯，非常適合電動(dòng)摩托車。該設(shè)計(jì)通過以下方式實(shí)現(xiàn)了更長的運(yùn)行時(shí)間：

· 提高電池電壓檢測(cè)精度。

· 減少待機(jī)模式下的電流消耗。

· 消除不平衡效應(yīng)。