【導讀】隨著(zhù)快遞服務(wù)需求的快速增長(cháng)，電動(dòng)摩托車(chē)因其電池容量大于電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)踏板車(chē)的優(yōu)勢而變得越來(lái)越受歡迎。容量越大，行駛時(shí)間就越長(cháng)，這有助于節省時(shí)間，并實(shí)現更長(cháng)距離的遞送。
電動(dòng)摩托車(chē)電池組有多個(gè)電壓平臺，其中最普遍的是60V，它在一個(gè)電池組中需要16S或者17S鋰離子電池。
實(shí)現更長(cháng)的運行時(shí)間需要解決三個(gè)設計難題：
● 高精度電池電壓采樣以提高電池容量計算精度。
● 電池電壓平衡。
● 低系統電流損耗，特別是在待機模式下。
低電流損耗16S-17S電池組參考設計可以幫助解決以上提到的設計難題。它使用BQ76940電池監控器用于電池組低15串電池電壓采樣監控，使用一個(gè)雙通道通用運算放大器LM2904B監控高兩串電池電壓。通過(guò)外部金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）實(shí)現更大的電池均衡電流。電池組參考設計的框圖如圖1所示。
圖1：16S-17S電池組框圖
高精度電池電壓采樣
BQ76940直接監控低15串電池，因此低15串電池電壓精度直接由BQ76940決定。在25°C時(shí)從3.2 V到4.6 V的典型電壓采樣精度為±15 mV。必要時(shí)，可以通過(guò)額外校準進(jìn)一步提高其電壓采樣精度。圖2所示的分立電路決定了兩個(gè)上部電池的精度。
圖2：兩個(gè)上部電池的分立電路圖
以17串電池為例。當Q25在線(xiàn)性模式下工作時(shí)，LM2904B的一個(gè)通道與P溝道MOSFET Q25、R89和R96一起作為負反饋電路工作。放大器的負相輸入電壓等于正相輸入電壓，即16串電池的電壓。因此第17串單節電池電壓加在R89兩端產(chǎn)生的電流流過(guò)Q25和R96并返回參考地，第16串單節電池采樣與此類(lèi)似。
通過(guò)使用模數轉換器（ADC）測量ADC_16和ADC_17電壓，可以監控第16串和第17串單節電池電壓?？紤]到R89、R96、R87、R94和ADC參考的容差，需要兩點(diǎn)校準以獲得更高的精度。圖3顯示了兩點(diǎn)校準的過(guò)程。
圖3：兩點(diǎn)校準過(guò)程
我在實(shí)驗室測試了校準后的第16串和第17串電池電壓精度；結果如圖4所示。精度達到±2mV。
圖4：16串和17串電池電壓精度(25°C時(shí))
電池均衡
由于第16串和第17串電池由分立電路監控，而下部15個(gè)電池由BQ76940監控，因此必須考慮對電池均衡的影響。
圖5顯示了主要的電流路徑。紅色表示通用運算放大器的電源路徑，綠色表示第17串電池的電壓采樣路徑，灰色表示第16串電池的感測路徑。通用運算放大器的供電電流由整個(gè)電池組提供并流回參考地，因此是對整個(gè)電池組放電，并不會(huì )導致不均衡。第17串電池的電壓采樣路徑也是從整個(gè)電池組流回參考地，因此也不會(huì )導致不均衡。但是第16串電池的電壓采樣路徑從低16串電池流回參考地，這將導致第17串和低16串電池之間出現電壓不均衡。這種不均衡只有在檢測第16串電池電壓時(shí)才會(huì )出現。
若要減少不均衡的影響，可以在不檢測第16串電池的時(shí)候關(guān)閉Q21，并在計算不均衡影響時(shí)考慮Q21控制電路電流。
根據此處的分析，并假設電壓采樣周期為250ms，則此參考設計的不平衡電流應小于0.1 µA。
圖5：分立電路電流路徑圖
低系統待機消耗
在先前撰寫(xiě)的文章“踏板動(dòng)力解決方案：為電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)摩托車(chē)提供耐久性更好的13S、48V鋰離子電池組”，我解釋了如何用LM5164和系統級設計來(lái)降低待機模式下的系統級電流消耗?，F在，我想簡(jiǎn)單地討論一下如何降低待機模式下分立電路的電流消耗。待機模式下既不充電也不放電。電池電壓感應起到保護作用，通?？梢酝ㄟ^(guò)增加空閑時(shí)間來(lái)降低頻率。為了減少待機模式下的功耗，您可以在不需要感測電壓的情況下關(guān)閉電路。
圖2中的解決方案使用P通道MOSFET Q20將電源切換到LM2904B，并由微控制器控制。為了進(jìn)一步降低電流，我增加了Q22和Q21，用來(lái)切斷電池電壓傳感線(xiàn)路，從而節省更多的能量。假設電壓感應周期為250 ms，空閑時(shí)間為250 ms，則待機時(shí)的平均電流消耗將相當低。圖2所示的解決方案中的典型電流小于1 µA。
結論
總的來(lái)說(shuō)，該參考設計提供了一個(gè)具有成本競爭力的電池組解決方案，覆蓋高達17S的電池，是電動(dòng)摩托車(chē)的理想選擇。該設計通過(guò)以下方式實(shí)現更長(cháng)的運行時(shí)間：
● 提高電池電壓采樣精度。
● 減少待機模式下的電流消耗。
● 消除不均衡影響。
這種設計也適用于需要16S/48-V磷酸鋰離子電池組的電信備用電池組。
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