为电动摩托车设计更耐用的 16S-17S 锂离子电池组
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1.前言
随着送货服务需求的快速增长，电动摩托车（e-motorcycle）作为一种运输方式越来越受欢迎，因为它的电池容量远大于电动自行车/电动滑板车的电池。更大的容量可以延长乘车时间，这有助于节省时间并实现更远距离的交付。
一个电动摩托车电池组有多个电压平台，但最流行的是 60 V，这需要 17 个串联 (17S) 锂离子 (Li-ion) 电池组。
产生更长的运行时间需要解决三个设计问题：
· 电池电压检测精度高，可进行准确的充电状态计算。
· 电池电压平衡。
· 低系统电流消耗，尤其是在待机模式下。
具有低电流消耗的16S-17S电池组参考设计 解决了每个设计问题。它使用BQ76940 电池监视器用于电池组的下部 15S，并使用LM2904B 双通道通用放大器来准确检测上部两个电池的电压。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。
图1：16S-17S电池组框图
2.高电池电压检测精度
的 BQ76940 直接监视低15S电池单元，并确定电池电压精度。典型精度在 25°C 时为 ±15 mV，范围为 3.2 V 至 4.6 V。如有必要，额外校准有助于进一步提高精度。图 2 所示的分立电路决定了上面两个电池的精度。
图 2：两个上部电池的分立电路图
我们以第 17 个单元格为例。一个LM2904B 通道与 P 通道 MOSFET Q25、R89 和 R96 一起作为负反馈电路工作，而 Q25 工作在线性模式。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 节电池电压跨过 R89 并产生一个电流，该电流将流经 Q25 和 R96 并返回接地，类似于第 16 节电池。
可以通过使用模数转换器 (ADC) 测量 ADC_16 和 ADC_17 电压来监控第 16 节和第 17 节电池电压。考虑到 R89、R96、R87、R94 和 ADC 基准的容差，需要两点校准才能获得更高的精度。图 3 显示了两点校准过程。
图 3：两点校准过程
在实验室，我测试了校准后的第16节和第17节电池电压准确度；结果如图 4 所示。典型精度达到 ±2 mV。
图 4：第 16 节和第 17 节电池电压精度（25°C 时）
3.电池平衡
由于第 16 节和第 17 节电池由分立电路监控，而较低的 15 节电池由BQ76940 监控，因此您必须考虑对电池均衡的影响。
图 5 显示了主要的电流路径。红色是通用放大器电源路径，绿色是第 17 节电池的感应路径，灰色是第 16 节电池的感应路径。通用放大器电源从整个电池组中汲取能量并流回地面，从而使电池组放电且不会导致不平衡。第 17 个电池的感应路径也从整个电池组中吸取能量并流回地面，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 节串联电池汲取能量，这将导致第 17 节电池和较低的 16 节电池之间出现电压间隙。这种不平衡仅在检测到第 16 节电池电压时发生。
为了减少不平衡，当没有感应到第 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。
根据此处的分析并假设电压检测周期为 250 ms，该电池组参考设计的典型不平衡电流小于 0.1 µA。
图 5：分立电路的电流路径图
4.低系统待机电流消耗
现在，我想简单讨论一下如何降低待机模式下分立电路的电流消耗。待机模式下既不充电也不放电。电池电压感应是为了保护，您通常可以通过增加空闲时间来降低频率。为了降低待机模式下的功耗，您可以在不需要电压检测时关闭电路。
图 2 中的解决方案使用 P 沟道 MOSFET Q20 将电源切换到 LM2904B，并由微控制器控制。为了进一步降低电流，我添加了 Q22 和 Q21 以切断电池电压感应路线并节省更多能量。假设电压检测周期为 250 ms，空闲时间为 250 ms，待机时的平均电流消耗将相当低。图 2 所示解决方案中的典型电流小于 1 µA。
5.结论
总体而言，该参考设计提供了一种具有成本竞争力的电池组解决方案，可覆盖高达 17S 的电芯，非常适合电动摩托车。该设计通过以下方式实现了更长的运行时间：
· 提高电池电压检测精度。
· 减少待机模式下的电流消耗。
· 消除不平衡效应。
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