電動摩托車電池組有多個電壓平臺，其中最普遍的是60V，它在一個電池組中需要16S或者17S鋰離子電池。

 

實現(xiàn)更長的運行時間需要解決三個設計難題：

 

● 高精度電池電壓采樣以提高電池容量計算精度。

● 電池電壓平衡。

● 低系統(tǒng)電流損耗，特別是在待機模式下。

 

低電流損耗16S-17S電池組參考設計可以幫助解決以上提到的設計難題。它使用BQ76940電池監(jiān)控器用于電池組低15串電池電壓采樣監(jiān)控，使用一個雙通道通用運算放大器LM2904B監(jiān)控高兩串電池電壓。通過外部金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）實現(xiàn)更大的電池均衡電流。電池組參考設計的框圖如圖1所示。

 

圖1：16S-17S電池組框圖

 

高精度電池電壓采樣

 

BQ76940直接監(jiān)控低15串電池，因此低15串電池電壓精度直接由BQ76940決定。在25°C時從3.2 V到4.6 V的典型電壓采樣精度為±15 mV。必要時，可以通過額外校準進一步提高其電壓采樣精度。圖2所示的分立電路決定了兩個上部電池的精度。

 

圖2：兩個上部電池的分立電路圖

 

以17串電池為例。當Q25在線性模式下工作時，LM2904B的一個通道與P溝道MOSFET Q25、R89和R96一起作為負反饋電路工作。放大器的負相輸入電壓等于正相輸入電壓，即16串電池的電壓。因此第17串單節(jié)電池電壓加在R89兩端產(chǎn)生的電流流過Q25和R96并返回參考地，第16串單節(jié)電池采樣與此類似。

 

通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量ADC_16和ADC_17電壓，可以監(jiān)控第16串和第17串單節(jié)電池電壓?？紤]到R89、R96、R87、R94和ADC參考的容差，需要兩點校準以獲得更高的精度。圖3顯示了兩點校準的過程。

 

圖3：兩點校準過程

 

我在實驗室測試了校準后的第16串和第17串電池電壓精度；結(jié)果如圖4所示。精度達到±2mV。

 

圖4：16串和17串電池電壓精度(25°C時)

 

電池均衡

 

由于第16串和第17串電池由分立電路監(jiān)控，而下部15個電池由BQ76940監(jiān)控，因此必須考慮對電池均衡的影響。

 

圖5顯示了主要的電流路徑。紅色表示通用運算放大器的電源路徑，綠色表示第17串電池的電壓采樣路徑，灰色表示第16串電池的感測路徑。通用運算放大器的供電電流由整個電池組提供并流回參考地，因此是對整個電池組放電，并不會導致不均衡。第17串電池的電壓采樣路徑也是從整個電池組流回參考地，因此也不會導致不均衡。但是第16串電池的電壓采樣路徑從低16串電池流回參考地，這將導致第17串和低16串電池之間出現(xiàn)電壓不均衡。這種不均衡只有在檢測第16串電池電壓時才會出現(xiàn)。

 

若要減少不均衡的影響，可以在不檢測第16串電池的時候關閉Q21，并在計算不均衡影響時考慮Q21控制電路電流。

 

根據(jù)此處的分析，并假設電壓采樣周期為250ms，則此參考設計的不平衡電流應小于0.1 µA。

 

圖5：分立電路電流路徑圖

 

低系統(tǒng)待機消耗

 

在先前撰寫的文章“踏板動力解決方案：為電動自行車和電動摩托車提供耐久性更好的13S、48V鋰離子電池組”，我解釋了如何用LM5164和系統(tǒng)級設計來降低待機模式下的系統(tǒng)級電流消耗。現(xiàn)在，我想簡單地討論一下如何降低待機模式下分立電路的電流消耗。待機模式下既不充電也不放電。電池電壓感應起到保護作用，通?？梢酝ㄟ^增加空閑時間來降低頻率。為了減少待機模式下的功耗，您可以在不需要感測電壓的情況下關閉電路。

 

圖2中的解決方案使用P通道MOSFET Q20將電源切換到LM2904B，并由微控制器控制。為了進一步降低電流，我增加了Q22和Q21，用來切斷電池電壓傳感線路，從而節(jié)省更多的能量。假設電壓感應周期為250 ms，空閑時間為250 ms，則待機時的平均電流消耗將相當?shù)汀D2所示的解決方案中的典型電流小于1 µA。

 

結(jié)論

 

總的來說，該參考設計提供了一個具有成本競爭力的電池組解決方案，覆蓋高達17S的電池，是電動摩托車的理想選擇。該設計通過以下方式實現(xiàn)更長的運行時間：

 

● 提高電池電壓采樣精度。

● 減少待機模式下的電流消耗。

● 消除不均衡影響。

 

這種設計也適用于需要16S/48-V磷酸鋰離子電池組的電信備用電池組。

 

 

推薦閱讀：