更持久耐用的電動(dòng)摩托車16S-17S鋰離子電池組

隨著快遞服務(wù)需求的快速增長，電動(dòng)摩托車因其電池容量大于電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車的優(yōu)勢而變得越來越受歡迎。容量越大，行駛時(shí)間就越長，這有助于節(jié)省時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)更長距離的遞送。

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

實(shí)現(xiàn)更長的運(yùn)行時(shí)間需要解決三個(gè)設(shè)計(jì)難題：

高精度電池電壓采樣以提高電池容量計(jì)算精度。

電池電壓平衡。

低系統(tǒng)電流損耗，特別是在待機(jī)模式下。

低電流損耗16S-17S電池組參考設(shè)計(jì)可以幫助解決以上提到的設(shè)計(jì)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(gè)雙通道通用運(yùn)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）實(shí)現(xiàn)更大的電池均衡電流。電池組參考設(shè)計(jì)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(shí)從3.2 V到4.6 V的典型電壓采樣精度為±15 mV。必要時(shí)，可以通過額外校準(zhǔn)進(jìn)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(gè)上部電池的精度。

圖2：兩個(gè)上部電池的分立電路圖

以17串電池為例。當(dāng)Q25在線性模式下工作時(shí)，LM2904B的一個(gè)通道與P溝道MOSFET Q25、R89和R96一起作為負(fù)反饋電路工作。放大器的負(fù)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。考慮到R89、R96、R87、R94和ADC參考的容差，需要兩點(diǎn)校準(zhǔn)以獲得更高的精度。圖3顯示了兩點(diǎn)校準(zhǔn)的過程。

圖3：兩點(diǎn)校準(zhǔn)過程

我在實(shí)驗(yàn)室測試了校準(zhǔn)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(dá)到±2mV。

圖4：16號串和17串電池電壓精度(25°C時(shí))

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(gè)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(yùn)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(yùn)算放大器的供電電流由整個(gè)電池組提供并流回參考地，因此是對整個(gè)電池組放電，并不會(huì)導(dǎo)致不均衡。第17串電池的電壓采樣路徑也是從整個(gè)電池組流回參考地，因此也不會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(shí)才會(huì)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(shí)候關(guān)閉Q21，并在計(jì)算不均衡影響時(shí)考慮Q21控制電路電流。

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

圖5：分立電路電流路徑圖

低系統(tǒng)待機(jī)消耗

在先前撰寫的文章“踏板動(dòng)力解決方案：為電動(dòng)自行車和電動(dòng)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(shè)計(jì)來降低待機(jī)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(jī)模式下分立電路的電流消耗。待機(jī)模式下既不充電也不放電。電池電壓感應(yīng)起到保護(hù)作用，通?？梢酝ㄟ^增加空閑時(shí)間來降低頻率。為了減少待機(jī)模式下的功耗，您可以在不需要感測電壓的情況下關(guān)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(jìn)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(shè)電壓感應(yīng)周期為250 ms，空閑時(shí)間為250 ms，則待機(jī)時(shí)的平均電流消耗將相當(dāng)?shù)?。圖2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(shè)計(jì)提供了一個(gè)具有成本競爭力的電池組解決方案，覆蓋高達(dá)17S的電池，是電動(dòng)摩托車的理想選擇。該設(shè)計(jì)通過以下方式實(shí)現(xiàn)更長的運(yùn)行時(shí)間：

提高電池電壓采樣精度。

減少待機(jī)模式下的電流消耗。

消除不均衡影響。

這種設(shè)計(jì)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。

審核編輯：郭婷