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[導(dǎo)讀]要實(shí)現(xiàn)更持久的鋰離子(Li-ion)電池,我們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黾痈嗷蚋玫碾姵?,這會(huì)顯著增加電池組的整體成本。同時(shí),提高能源利用效率在不增加容量的情況下為設(shè)計(jì)人員提供了更多可用能源。有兩種方法可以提高能源利用效率:提高充電狀態(tài)準(zhǔn)確度和/或降低電流消耗。

1.前言

要實(shí)現(xiàn)更持久的鋰離子(Li-ion)電池,我們可以選擇兩種方法之一:增加電池總?cè)萘炕蛱岣吣芰坷眯省T黾与姵乜側(cè)萘恳馕吨黾痈嗷蚋玫碾姵?,這會(huì)顯著增加電池組的整體成本。同時(shí),提高能源利用效率在不增加容量的情況下為設(shè)計(jì)人員提供了更多可用能源。有兩種方法可以提高能源利用效率:提高充電狀態(tài)準(zhǔn)確度和/或降低電流消耗。

2.具體方案

要獲得更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間,我們需要從電池組中提取盡可能多的能量;但是,如果發(fā)生過放電,電池將永久損壞。為了避免電池過度放電,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(cè)量荷電狀態(tài)的方法有以下三種:

(1)電池電壓測(cè)量。

(2)庫侖計(jì)數(shù)。

(3)TI 阻抗跟蹤? 技術(shù)。

電池電壓測(cè)量是最簡(jiǎn)單的,但它也有精度低的過載條件。庫侖計(jì)數(shù)隨時(shí)間測(cè)量和積分電流。但要獲得更好的充電狀態(tài)精度,需要定期從充滿到空的學(xué)習(xí)周期,并且充電狀態(tài)精度會(huì)受到自放電和待機(jī)電流的影響。低溫和老化的電池也會(huì)降低充電狀態(tài)的準(zhǔn)確性。Impedance Track 技術(shù)通過學(xué)習(xí)電池阻抗直接測(cè)量放電率、溫度、年齡等因素的影響。因此,即使在電池老化和溫度較低的情況下,阻抗跟蹤方法也能為我們提供更好的充電狀態(tài)測(cè)量精度。

我們的使用用BQ34Z100-G1,這是一種用于鋰離子、鉛酸、鎳金屬氫化物和鎳鎘電池的阻抗跟蹤電量計(jì),并且獨(dú)立于電池串聯(lián)電池配置工作。該設(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,并為用戶提供更長(zhǎng)的每次充電運(yùn)行時(shí)間,而無需擔(dān)心過度放電造成的潛在損壞。由于電流消耗低,整個(gè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常有限。結(jié)果我用BQStudio直接從BQ34Z100-G1 讀取數(shù)據(jù)常溫下恒流放電。圖 1 顯示了放電充電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果。

通過精確電池測(cè)試,使得鋰離子電池組能提供更多的電能和更持久的工作時(shí)間.
圖1:恒定放電電流下的放電荷電狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

提高能源利用效率的第二種方法是降低電流消耗。精確計(jì)量參考設(shè)計(jì)引入了優(yōu)化的偏置電源解決方案,如圖 2 所示。

通過精確電池測(cè)試,使得鋰離子電池組能提供更多的電能和更持久的工作時(shí)間.
圖 2:整個(gè)系統(tǒng)偏置電源圖

該設(shè)計(jì)使用我們的新型 LM5164 作為輔助電源。100V LM5164 是一款寬輸入、低靜態(tài)電流降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,可保護(hù)系統(tǒng)免受標(biāo)稱 48V 電池的潛在瞬變影響,并為 3.3V 微控制器 (MCU) 和 BQ34Z100-G1 供電。LM5164 的輸入由兩個(gè)信號(hào)控制:來自 BQ76940 的 REGOUT 和來自 MSP430? MCU 的 SYS。這兩個(gè)信號(hào)中的任何一個(gè)為高都會(huì)打開 Q1 并啟用 LM5164 的輸入 - 從而啟用 MCU 電源。單板剛出廠,電池管理板第一次上電時(shí),處于出貨模式。整個(gè)系統(tǒng)(BQ76940 除外)未通電,可實(shí)現(xiàn)低至 5μA 的運(yùn)輸模式電流消耗。按下按鈕 S1 會(huì)將 REGOUT 設(shè)置為高電平并打開系統(tǒng)電源。當(dāng) MCU 上電時(shí),它會(huì)將 SYS 設(shè)置為高電平。無論 BQ76940 處于關(guān)機(jī)模式還是正常模式,整個(gè)系統(tǒng)都有穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

要在待機(jī)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車電池組的所有功能,包括充電器連接/移除和負(fù)載連接/移除,我們需要給 MCU 上電。Q1 應(yīng)該打開。為了降低待機(jī)模式電流消耗,BQ76940 通過 I2C 命令設(shè)置為關(guān)斷模式。因此 SYS 為高電平,以保持 Q1 開啟。LM5164 設(shè)置為低開關(guān)頻率以降低開關(guān)損耗,并且 MSP430 MCU 處于低功耗模式。所有充電器連接/移除和負(fù)載連接/移除檢測(cè)都是通過固件實(shí)現(xiàn)的。待機(jī)電流消耗通常為 50 μA,如圖 3 所示。圖 4 顯示了主板的運(yùn)輸模式電流消耗。

通過精確電池測(cè)試,使得鋰離子電池組能提供更多的電能和更持久的工作時(shí)間.
圖 3:待機(jī)模式電流消耗

通過精確電池測(cè)試,使得鋰離子電池組能提供更多的電能和更持久的工作時(shí)間.
圖 4:運(yùn)輸模式電流消耗

3.結(jié)論
總體而言,本文實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的充電狀態(tài)測(cè)量(通過 BQ34Z100-G1)并降低了待機(jī)和運(yùn)輸模式電流消耗(通過優(yōu)化的偏置電源解決方案)。這兩種解決方案共同提高了電動(dòng)自行車電池組的能源利用效率,為用戶提供了更長(zhǎng)的使用時(shí)間。


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