提高鋰離子電池組的續(xù)航能力的2大方案

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(xù)航能力也提出了更高的要求。延長電池組的續(xù)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(xù)航能力：增大電池總?cè)萘炕蛱岣吣苄АＴ龃箅姵乜側(cè)萘恳馕吨褂酶嗷蛐阅芨训碾姵貑卧?，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(shè)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(tài)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(fā)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(tài)信息至關(guān)重要。有三種方法可準確測量荷電狀態(tài)：

電池電壓測量。

庫侖計數(shù)。

TI Impedance Track?技術(shù)。

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(shù)測量并隨時間積分電流。但是，實現(xiàn)更佳的荷電狀態(tài)精度需要定期的全轉(zhuǎn)-空轉(zhuǎn)學習周期，且荷電狀態(tài)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(tài)的精度。Impedance Track技術(shù)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(tài)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(shè)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(lián)電池配置工作。此設(shè)計支持外部電壓轉(zhuǎn)換電路。該電路可自動控制以降低系統(tǒng)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(tǒng)對測量結(jié)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(shù)據(jù)。圖1所示為放電荷電狀態(tài)測試結(jié)果。

圖1：恒定放電電流下的放電荷電狀態(tài)測試結(jié)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(shè)計引入了優(yōu)化的偏置電源解決方案，如圖2所示。

圖2：整個系統(tǒng)偏置功率圖

此設(shè)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(tài)電流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，可保護系統(tǒng)免受標稱48 V電池的潛在瞬態(tài)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(tǒng)未上電，實現(xiàn)低至5-μA的出廠模式電流消耗。按下按鈕S1將REGOUT設(shè)置為高電平并打開系統(tǒng)電源。當MCU上電時，它會將SYS設(shè)置為高電平。無論BQ76940處于關(guān)閉模式還是正常模式，整個系統(tǒng)都具有穩(wěn)定的電源。

您需要打開MCU電源才能在待機模式下實現(xiàn)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(shè)置為關(guān)機模式。因此SYS為高電平，將Q1保持為通電狀態(tài)。LM5164設(shè)置為低開關(guān)頻率，以降低開關(guān)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(xiàn)。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(jié)論

總之，參考設(shè)計實現(xiàn)了精確的荷電狀態(tài)測量(通過BQ34Z100-G1)，并降低了待機和出廠模式電流消耗(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自行車電池組的能效，為用戶提供了更長的使用時間。