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阶的电动两轮车:更低成本,更高性能的 BMS 解决方案

igoseo.net   2021年12月29日

  电动两轮车作为国内主要的中短途代步工具,截止到 2020 年,中国市场的保有量已经超过 3 亿辆。这是一个非常庞大的市场,可以说几乎每家每户都有一辆电动两轮车。针对这样一个市场巨大的应用,本文将对 TI 的典型 BMS 解决方案进行介绍。

  虽然锂电池相比铅酸电池具有更高的能量密度和性价比,并且在新国标的驱动下将成为电动两轮车的主流,但不可忽视的是锂电池相比铅酸电池而言,危险性更高,若不谨慎对待,很容易发生失火,爆炸等危险,因此这也对 BMS 解决方案提出了更高的要求。

  面对由锂电池组提供动力的电动两轮车应用,TI 提供了有竞争力的 BMS 解决方案。按照电池串数,我们可以将电动两轮车大致分为电动自行车 (≤16S) 和电摩 (>16S) 两类。

  电动自行车

  电动自行车通常为 16S 及其以下的电池包。基于 TI 产品的 BMS 解决方案,关键器件采用 TI 的最新产品,具有更低成本的同时具备更高的性能,帮助大家实现更优的 BMS 设计。

  从结构上看,我们可以大致分为 5 个部分:

  ● 电池监控与保护

  ● 电池管理与控制

  ● 充放电功率通路

  ● 通信与传感

  ● 辅助电源

  其中,充放电功率按照电压电流等实际需要进行选取即可,本文不做赘述。下面针对其他各个部分的关键器件进行介绍:

  电池监控与保护

  该部分主要包括模拟前端和二次保护芯片。该部分主要是对每一节电池进行监控和保护,防止电池超出安全工作区,引发危险。

  ● 模拟前端:BQ76952

  BQ76952 是 TI 最新一代的高串数模拟前端,它支持 3-16 串的应用。同系列的产品还有 BQ76942 和 BQ769142,分别支持 3-10 串和 3-14 串的应用,使用者可按照实际需要进行选择。BQ769x2 集成了过压,欠压,过温,过流,短路等应对各种故障情况下的一次保护。支持 I2C,SPI,HDQ 等多种通讯方式。集成了内部电池均衡,同时也支持外部均衡。此外 BQ769x2 还支持乱序上电,极大节省了产线装配时间及其成本。而集成的高边驱动,相比上一代产品 BQ769x0,对于高边保护的应用,可以节省一颗驱动 IC—BQ76200。并且 BQ76952 不仅可以和 MCU 搭配使用,也可以脱离 MCU,独立运行,适用于低成本的应用场合。

  ● 二次保护:BQ77216

  为了避免因为模拟前端故障,导致电池包处于没有保护的危险境地,通常还会有二次保护,在发生严重故障并且一次保护没有动作时,二次保护启动,熔断保险丝,避免危险发生。

  BQ77216 是 TI 最新的针对电动两轮车应用所开发的二次保护芯片,也是笔者所知目前为止市面上第一款且唯一一款支持 16 串的二次保护芯片。以往的方案都是采用若干颗 5S 的二段保护 IC,如 BQ7718 加上一些外围的逻辑以及阻容进行级联使用。单芯片的方案不仅节省了成本,而且简化了设计与布板的难度,提高了 PCB 的利用率,同时可靠性也得到了加强。BQ77216 有多种配置可选,使用者可以按照实际需要选择合适的型号,若没有符合的型号,可以联系对应的技术支持进行定制。

  电池管理与控制

  该部分主要包括电量计和微控制器。对于一些低端产品,通常会选用电压查表法来进行电量的计算,这样的方法虽然简单,但精度不高。而对于中高端的产品,通常还需要电量计提供更加精确的电量计算与显示。并且大部分场合需要配合 MCU 进行工作,实现对电池的补充管理和对外的信息交互。

  ● 电量计:BQ34Z100

  BQ34Z100 是独立于电池节串联配置之外工作的电量计解决方案。它通过一个外部电压转换电路,可支持 3V 至 65V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。BQ34Z100 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口,一个 HDQ 从接口,一个或者四个直接 LED 接口,和一个警报输出引脚。此外,BQ34Z100 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。

  ● 处理器:MSP430FR2155DBT

  MSP430FR215x 微控制器 (MCU) 均属于 MSP430MCU 超值系列超低功耗低成本器件产品系列将独特的嵌入式 FRAM 和整体超低功耗系统架构相结合,从而在保证性能的同时降低能耗。适合用于电池供电场合,节省电量,延长续航。

  通信与传感

  该部分主要包括 CAN 通信收发器和热敏电阻。

  ● CAN 通信收发器:TCAN1042HV

  这款 CAN 收发器系列符合 ISO1189-2 (2016) 高速 CAN(控制器局域网络)物理层标准。所有器件均设计用于数据速率高达 2Mbps(兆位每秒)的 CAN FD 网络。配有用于 I/O 电平转换的辅助电源输入(用于设置输入引脚阈值和 RXD 输出电平)。该系列具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性。此外,所有器件均包含许多保护功能,以提高器件和 CAN 的稳定性。

  ● 热敏电阻:TMP61

  TMP61 线性热敏电阻可在整个温度范围内提供线性度和始终如一的灵敏度,支持使用简单而准确的方法进行温度转换。器件的低功耗和较小的热质量可最大限度地减小自发热的影响。这些器件具有内置的高温失效防护性能以及对环境变化的强大抵抗力,设计用于长寿命的高性能应用。TMP6 系列器件的小巧外形还允许靠近热源放置,并具有快速响应时间。

  与 NTC 热敏电阻相比,它具有以下优点:无需额外的线性化电路,校准最小化,电阻容差变化更小,高温下灵敏度更高,以及可节省处理器时间和内存的简化转换方法。

  辅助电源

  BQ769x2 集成了两个输出可配置的 LDO。但是对于高压大电流的应用,考虑到高压差引起的散热问题,仍然需要使用一颗高效率的 DC-DC 电源芯片,将电池高压转换为一个相对低压,如 5V,再通过一颗 LDO 将 DC-DC 的输出转换为低噪声的电源轨给 MCU 供电。

  ● DC-DC:LM5164

  因为是电池应用,为了最大限度地延长电池使用时长,所以对芯片的静态功耗要求较高。LM5164 空载静态电流极低,仅为 10.5uA,可以最大限度节省电池电量,延长续航。并且 LM5164 最大支持 100V 的输入电压,为 16 串的应用提供安全的耐压。采用的 COT 模式控制架构,具备更快的瞬态响应速度。

  ● LDO:TLV70433

  TLV704 系列 LDO 具有极低的静态电流,仅为 3.2uA。并且在全温度以及全负载范围内,静态功耗也基本是恒定的,是低功耗微控制器,如 MSP430,理想的供电电源。

  电摩

  电摩的方案与电动自行车的方案基本类似。电摩和电动自行车的主要区别是电摩的串数通常在 16 串以上,常见的有 17 串,20 串和 24 串。因为串数的增加,电动自行车的方案中所采用的单颗 BQ76952 就不能满足需求。这就需要将两颗 BQ769x2 进行级联使用,同样的 BQ77216 也需要进行级联使用。并且级联使用后还需要用到一颗隔离 I2C 进行两颗 BQ769x2 之间的隔离通信。

  ● 隔离 I2C:ISO1640

  ISO164x 系列是 TI 最新的 I2C 隔离器,具备更高的性价比。它支持热插拔,低功耗的双向 I2C 隔离器。满足 UL 1577 标准,通过了 UL,CSA,CQC,VDE,TUV 认证,支持 1.7MHz 双向传输速率。

标签:德州仪器 电动两轮车 我要反馈 
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