速度与激情:为电动摩托车设计寿命更长的 16S-17S 锂离子电池组

2024-03-14

随着需求的快速增长 送货服务,电动摩托车(e-motorcycle)正变得越来越流行 一种运输方式,因为电池容量远大于 电动自行车/电动滑板车电池。更大的容量可以延长行驶时间,这有助于 节省时间并实现更远距离的交付。

电动摩托车电池组具有 几个电压平台,但最受欢迎的是 60 V,需要 17 个 串联 (17S) 锂离子 (Li-ion) 电池组。

生成更长的运行时间需要 解决三个设计问题:

高电池电压检测 精确计算荷电状态。

电池电压平衡。

系统电流消耗低, 尤其是在待机模式下。

16S-17S 电池组 具有低电流消耗的参考设计可满足每个设计的需求 关注。它使用BQ76940电池监视器来保护电池组的下部 15S 以及LM2904B双通道通用放大器 对两个上部电池进行精确的电压检测。添加外部金属氧化物 半导体场效应晶体管 (MOSFET) 可实现更大的电池平衡 能力。图1是电池组参考设计的框图。

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图1 16S-17S电池组块 图

高电池电压检测精度

BQ76940直接监控下部 15S 电池单元并确定 电池电压精度。在3.2 V至4.6 V范围内,25°C时的典型精度为±15 mV。 如有必要,额外的校准有助于进一步提高精度。这 图2所示的分立电路决定了两个上部单元的精度。

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图2 两个上部单元的分立电路图

让我们以第 17 个单元格为例。一个LM2904B通道与 P 沟道 MOSFET Q25、R89 和 R96 一起用作负反馈电路,而 Q25 在线性模式下工作。通用放大器的负输入电压等于正输入电压,即第 16 节电池的电压。第 17 节电池电压穿过 R89 并产生流过的电流 Q25 和 R96 并返回地面,类似于第 16 个电池。

第16节和第17节电池电压可以通过使用模数转换器(ADC)测量ADC_16和ADC_17电压来监控。考虑到R89、R96、R87、R94和ADC基准电压源的容差,需要进行两点校准 以获得更高的精度。图 3 显示了两点校准过程。

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图3 两点校准过程

在实验室中,我测试了校准后的第 16 和第 17 节电池电压精度;结果如图 4 所示。这 典型精度达到±2 mV。

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图 4 第 16 节和第 17 节电池电压精度(25°C 时)

电池平衡

由于第 16 个和第 17 个单元格是 由分立电路监控,而较低的 15 个电池由BQ76940监控,您必须考虑对电池平衡的影响。

图 5 显示了主要电流路径。红色是通用放大器的电源路径,绿色是第 17 个电池的 感应路径,灰色是第 16 个单元的感应路径。通用放大器功率从整个电池组中提取能量并流回地面,从而对电池组放电,不会导致不平衡。第 17 个单元的感应路径 还可以从整个电池组中提取能量并流回地面,这也不会导致不平衡。但是第 16 节电池的感应路径仅从较低的 16 节串联电池中获取能量,这将导致第 17 节电池之间的电压间隙 单元格和下部 16 个单元格。这种不平衡仅在感应第 16 节电池电压时发生。

为了减少不平衡,在不感应到第 16 节电池时关闭 Q21,并在计算不平衡效应时考虑 Q21 控制电路电流。

根据此处的分析,假设电压检测周期为 250 ms,则该电池组参考设计的典型不平衡电流小于 0.1μA。

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图5 分立电路电流路径示意图

低系统待机电流消耗

在我之前的文章中,“踏板动力:实现更持久的 13S,48 V 用于电动自行车和电动滑板车的锂离子电池组,“我解释了如何 利用 LM5164 和 系统级设计。现在,我想简单讨论一下如何降低电流 待机模式下分立电路的消耗。既没有充电也没有 在待机模式下放电。电池电压检测用于保护,您可以 通常通过增加空闲时间来降低频率。降低功耗 待机模式,电压检测不时可以关闭电路电源 必填。

图 2 中的解决方案使用 P 沟道 MOSFET Q20 将电源切换到LM2904B,并且是 由微控制器控制。为了进一步降低电流,我增加了Q22和Q21,切断了电池电压检测路线,节省了更多的能量。假设电压检测周期为 250 ms,空闲时间为 250 ms,则平均值 待机时的电流消耗将非常低。图2所示解决方案中的典型电流小于1 μA。

结论

总体而言,该参考设计提供了一个 具有成本竞争力的电池组解决方案,覆盖高达17S的电芯,这是一个 非常适合电动摩托车。该设计通过以下方式实现更长的运行时间:

提高电池电压检测精度。

降低待机模式下的电流消耗。

消除不平衡效应。

此设计也适用于需要 16S/48V 磷酸铁锂电池组的电信备用电池。

审核编辑 黄宇

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