速度與激情：為電動摩托車設(shè)計壽命更長的 16S-17S 鋰離子電池組

隨著需求的快速增長 送貨服務(wù)，電動摩托車（e-motorcycle）正變得越來越流行 一種運輸方式，因為電池容量遠大于 電動自行車/電動滑板車電池。更大的容量可以延長行駛時間，這有助于 節(jié)省時間并實現(xiàn)更遠距離的交付。

電動摩托車電池組具有 幾個電壓平臺，但最受歡迎的是 60 V，需要 17 個 串聯(lián) （17S） 鋰離子 （Li-ion） 電池組。

生成更長的運行時間需要 解決三個設(shè)計問題：

高電池電壓檢測 精確計算荷電狀態(tài)。

電池電壓平衡。

系統(tǒng)電流消耗低， 尤其是在待機模式下。

16S-17S 電池組 具有低電流消耗的參考設(shè)計可滿足每個設(shè)計的需求 關(guān)注。它使用BQ76940電池監(jiān)視器來保護電池組的下部 15S 以及LM2904B雙通道通用放大器 對兩個上部電池進行精確的電壓檢測。添加外部金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 可實現(xiàn)更大的電池平衡 能力。圖1是電池組參考設(shè)計的框圖。

圖1 16S-17S電池組塊 圖

高電池電壓檢測精度

BQ76940直接監(jiān)控下部 15S 電池單元并確定 電池電壓精度。在3.2 V至4.6 V范圍內(nèi)，25°C時的典型精度為±15 mV。 如有必要，額外的校準有助于進一步提高精度。這 圖2所示的分立電路決定了兩個上部單元的精度。

圖2 兩個上部單元的分立電路圖

讓我們以第 17 個單元格為例。一個LM2904B通道與 P 溝道 MOSFET Q25、R89 和 R96 一起用作負反饋電路，而 Q25 在線性模式下工作。通用放大器的負輸入電壓等于正輸入電壓，即第 16 節(jié)電池的電壓。第 17 節(jié)電池電壓穿過 R89 并產(chǎn)生流過的電流 Q25 和 R96 并返回地面，類似于第 16 個電池。

第16節(jié)和第17節(jié)電池電壓可以通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測量ADC_16和ADC_17電壓來監(jiān)控?？紤]到R89、R96、R87、R94和ADC基準電壓源的容差，需要進行兩點校準 以獲得更高的精度。圖 3 顯示了兩點校準過程。

圖3 兩點校準過程

在實驗室中，我測試了校準后的第 16 和第 17 節(jié)電池電壓精度;結(jié)果如圖 4 所示。這 典型精度達到±2 mV。

圖 4 第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池電壓精度（25°C 時）

電池平衡

由于第 16 個和第 17 個單元格是 由分立電路監(jiān)控，而較低的 15 個電池由BQ76940監(jiān)控，您必須考慮對電池平衡的影響。

圖 5 顯示了主要電流路徑。紅色是通用放大器的電源路徑，綠色是第 17 個電池的 感應(yīng)路徑，灰色是第 16 個單元的感應(yīng)路徑。通用放大器功率從整個電池組中提取能量并流回地面，從而對電池組放電，不會導(dǎo)致不平衡。第 17 個單元的感應(yīng)路徑 還可以從整個電池組中提取能量并流回地面，這也不會導(dǎo)致不平衡。但是第 16 節(jié)電池的感應(yīng)路徑僅從較低的 16 節(jié)串聯(lián)電池中獲取能量，這將導(dǎo)致第 17 節(jié)電池之間的電壓間隙 單元格和下部 16 個單元格。這種不平衡僅在感應(yīng)第 16 節(jié)電池電壓時發(fā)生。

為了減少不平衡，在不感應(yīng)到第 16 節(jié)電池時關(guān)閉 Q21，并在計算不平衡效應(yīng)時考慮 Q21 控制電路電流。

根據(jù)此處的分析，假設(shè)電壓檢測周期為 250 ms，則該電池組參考設(shè)計的典型不平衡電流小于 0.1μA。

圖5 分立電路電流路徑示意圖

低系統(tǒng)待機電流消耗

在我之前的文章中，“踏板動力：實現(xiàn)更持久的 13S，48 V 用于電動自行車和電動滑板車的鋰離子電池組，“我解釋了如何 利用 LM5164 和 系統(tǒng)級設(shè)計?，F(xiàn)在，我想簡單討論一下如何降低電流 待機模式下分立電路的消耗。既沒有充電也沒有 在待機模式下放電。電池電壓檢測用于保護，您可以 通常通過增加空閑時間來降低頻率。降低功耗 待機模式，電壓檢測不時可以關(guān)閉電路電源 必填。

圖 2 中的解決方案使用 P 溝道 MOSFET Q20 將電源切換到LM2904B，并且是 由微控制器控制。為了進一步降低電流，我增加了Q22和Q21，切斷了電池電壓檢測路線，節(jié)省了更多的能量。假設(shè)電壓檢測周期為 250 ms，空閑時間為 250 ms，則平均值 待機時的電流消耗將非常低。圖2所示解決方案中的典型電流小于1 μA。

結(jié)論

總體而言，該參考設(shè)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的電芯，這是一個 非常適合電動摩托車。該設(shè)計通過以下方式實現(xiàn)更長的運行時間：

提高電池電壓檢測精度。

降低待機模式下的電流消耗。

消除不平衡效應(yīng)。

此設(shè)計也適用于需要 16S/48V 磷酸鐵鋰電池組的電信備用電池。

審核編輯 黃宇