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进阶的电动两轮车——更低成本,更高性能的BMS解决方案

发布时间:2021-10-18 来源:Jayden Li 责任编辑:wenwei

【导读】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。

 

1.1.1 电动自行车

 

电动自行车通常为16S及其以下的电池包。以16S电动自行车电池包为例,下图是一个典型的基于TI产品的BMS解决方案。关键器件采用了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。

 

进阶的电动两轮车——更低成本,更高性能的BMS解决方案

图1.4 宽输出范围直流变换器输出特性

 

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

 

下面针对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MSP430TmMCU 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。

 

●    充放电功率通路

 

充放电功率管按照电压电流等实际需要进行选取即可,本文不做赘述。

 

●    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。

 

1.1.2 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。

 

 

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