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下一代电池监控器:如何在提高精度和延长运行时间的同时提高电池的安全性
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下一代电池监控器:如何在提高精度和延长运行时间的同时提高电池的安全性

2020-02-27 14:13:57 来源:半导体器件应用网

【大比特导读】近年来,诸如吸尘器、电动工具(如钻头、锯子和螺丝刀)和园艺工具(如割草机、修边机和草坪拖拉机)等消费品已从依靠绳索和墙壁供电转变为无绳设备和充电电池供电。即使是以前没有动力的自行车,现在也在向电池驱动的电动自行车和电动摩托车转变。

近年来,诸如吸尘器、电动工具(如钻头、锯子和螺丝刀)和园艺工具(如割草机、修边机和草坪拖拉机)等消费品已从依靠绳索和墙壁供电转变为无绳设备和充电电池供电。即使是以前没有动力的自行车,现在也在向电池驱动的电动自行车和电动摩托车转变。

这些电池组通常由单块锂离子电池、锂聚合物电池或磷酸锂电池构成,如果使用不当可能会造成危险,从而导致火灾或爆炸。为确保电池的安全使用,电池组内的电子器件对电池进行监控,使电池仅在电池制造商规定的条件下运行。这些条件通常包括:

最大允许充电电压。

最大充放电电流。

规定的充放电温度范围。

因此,测量电池组内的关键参数至关重要,尤其是电池组内电池电压、电流和温度,因为这些参数超过极限值时,将会触发适当的保护措施。

测量数据必须准确,以便设计人员决定在设计中包含多少裕度。例如,如果电池规格将全充电电压限制为4.3V,但测量数据的精度为±50 mV,则设计人员必须将系统配置为在测量显示电压高于4.25V时禁用充电。但是,由于实际电池电压可能低至4.2V,在这种情况下,充电会在电池充满电之前停止,从而导致应用容量的浪费和电池寿命缩短。

BQ76942和BQ76952等电池组的高精度电池监视器和保护器专为使用锂离子、锂聚合物或磷酸锂电池的应用设计。这些设备支持从3s到10s(BQ76942)和16s(BQ76952)的串联电池组,可以测量电池电压、电流和温度,并可以与其他电路共享数据,例如电池组中的独立微控制器或电动自行车中的系统控制器。BQ76942和BQ76952还可以使用数据自动触发电池保护,禁用电池组以避免超出制造商规范运行,并在条件允许时重新启用电池组,无论是否与主机或系统微控制器交互。

图 1展示了BQ76952的框图,其集成了:

Ÿ测量和检测子系统,用于监测电压、电流和温度,以便在参数超过允许阈值时进行检测。

Ÿ驱动外部保护FET和化学熔丝的执行器。

Ÿ一个数字主机接口子系统,除了用于选择功能的引脚控件外,还支持多个串行通信标准。

Ÿ多个电压调节器,一个用于内部电路,两个供外部使用。

图1:BQ76952框图

图2显示了基于BQ76952的16s电池组的简化原理图,使用I2C与主微控制器通信。集成调节器为微控制器和可选的外部收发器提供电源轨。

图2:基于BQ76952的16s系统简化原理图

BQ76942和BQ76952中的测量子系统将电池组内的各种电压、电流和温度数字化。由于每个测量都有特定的要求,因而这些测量是以不同的方式获得的。例如,温度变化缓慢,因此可以缓慢地进行测量和计算。然而,电池组电流可能有短脉冲活动,如果不连续采样,可能会遗漏。

处理电压和库仑计数器ADC生成的值,以提供测量数据,这些数据在设备内使用,并可供电池组内的单独处理器、电动工具或电动自行车中的系统控制器访问。这些数据包括:

Ÿ单块电池的差分电压和选择额外的系统电压。

Ÿ电池组电流和通过的电荷(库仑计数)。

Ÿ内部裸片和9个外部热敏电阻温度读数。

支持外部热敏电阻测量的引脚也可用于通用ADC输入,支持不超过~1.8V的输入电压。电压ADC在测量回路上工作,且输入在多个输入之间定期多路复用。BQ76942和BQ76952的测量子系统包括多个可编程选项,可以在测量速度和精度之间进行优化和权衡。

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