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?。增加電池總?cè)萘恳馕吨黾痈嗷蚋玫碾姵兀@會顯著增加電池組的整體成本。同時，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

要獲得更長的運(yùn)行時間，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)確測量荷電狀態(tài)的方法有以下三種：

（1）電池電壓測量。

（2）庫侖計(jì)數(shù)。

（3）TI 阻抗跟蹤? 技術(shù)。

電池電壓測量是最簡單的，但它也有精度低的過載條件。庫侖計(jì)數(shù)隨時間測量和積分電流。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)精度會受到自放電和待機(jī)電流的影響。低溫和老化的電池也會降低充電狀態(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，并為用戶提供更長的每次充電運(yùn)行時間，而無需擔(dān)心過度放電造成的潛在損壞。由于電流消耗低，整個系統(tǒng)對測量結(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。

圖 2：整個系統(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為高都會打開 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，處于出貨模式。整個系統(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 會將 REGOUT 設(shè)置為高電平并打開系統(tǒng)電源。當(dāng) MCU 上電時，它會將 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。

圖 3：待機(jī)模式電流消耗

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自行車電池組的能源利用效率，為用戶提供了更長的使用時間。