Ryan Tan 和 Terry Sculley

電動腳踏車和電動摩托車的普及度與日俱增，因此對續航力更長的電動自行車/電動機車電池組需求也逐漸增加。運作時間越長，行駛距離就越遠，充電頻率也越低。

為了實現續航力更長的鋰離子電池，可以選擇下列兩種方法之一：增加總電池容量，或是提升能源運用效率。增加總電池容量代表增添更多電池芯或較佳的電池芯，而如此可能大幅增加電池組的整體成本。另一方面，提升能源運用效率則可在不增加容量的情況下，為設計師提供更多可用能源。有兩種方式可提升能源運用效率：提升充電狀態準確度，以及/或減少電流消耗。

若要延長運作時間，需要從電池組中汲取盡可能多的能量，但若發生過度放電，電池將會永久損壞。為了避免電池過度放電，必須準確了解電池容量或充電狀態資訊。有三種方式可準確測量充電狀態：

• 電池芯電壓量測。
• 庫侖計數。
• TI Impedance Track™ 技術。

電池芯電壓量測是最簡單的方式，但也具有低準確度過載狀況。庫侖計數可隨時間推移測量和整合電流。但若要達到更佳的充電狀態準確度，需要規律的滿至空學習週期，且充電狀態準確度也會受到自放電與待機電流影響。低溫和老化的電池也會降低充電狀態準確度。Impedance Track 技術透過了解電池芯阻抗來直接測量放電率、溫度、老化和其他因素的影響。因此，即使是老化的電池和低溫情況，Impedance Track 方法也能提供更佳的充電狀態計量準確度。

我們的準確計量與 50-μA 待機電流、13S、48-V 鋰離子電池參考設計使用 BQ34Z100-R2 這款 Impedance Track 電量計，適用於鋰離子、鉛酸、鎳氫和鎳鎘電池，且可獨立於電池串聯電池芯配置外運作。此設計支援外部電壓轉換電路，其受到自動控制以降低系統功耗，並讓使用者每次充電後都可獲得更長的運作時間，不用擔心過度放電所可能造成的損害。由於電流消耗低，因此整個系統對計量結果的影響非常有限。因此，我使用 BQStudio，在室溫時直接從處於恆定放電電流下的 BQ34Z100-R2 讀取資料。圖 1 顯示了放電充電狀態測試結果。

第二種提升能源運用效率的方法是減少電流消耗。若要達到此目的，必須考量電池組內的所有電子裝置。電池組中的電池管理系統需要實作計量以外的其他功能，包括監控電池組是否存在潛在故障，以及在偵測到危險事件時採取適當行動。這些功能可透過納入整合式電池監控器和保護器，以及保護 FET 驅動電路加以來實現。準確計量與 50-μA 待機電流、13S、48-V 鋰離子電池參考設計一併使用 BQ76940 與 BQ76200 以因應前述功能，但 TI 隨後透過 BQ76952 推出了更新穎的整合式解決方案，將前述所有功能整合至單一裝置中。

BQ76952 可提供測量電池組中每個電池芯電壓的功能，並且包含電流量測和庫侖計數，此外也支援透過高達 9 個熱敏電阻進行電池組溫度量測。此裝置可針對不良電池組狀況提供防護，包括過電壓與欠電壓保護、充電與放電時的過電流、放電短路偵測，以及充電與放電的個別溫度過高/過低保護。每當發生不良狀況時，BQ76952 會先向 MCU 提供警示，隨後可編程延遲就會發布故障。此裝置也整合了高壓側 NMOS 保護 FET 驅動器，以控制電池組充電和放電。每當發生保護故障時，此裝置可自主控制保護 FET 以停用充電或放電，並且可在狀況允許時重新啟用 FET。此裝置也提供電池組平衡支援，以防止電池芯因漏電流和電池芯自放電的差異，而使電壓緩慢地變得不等。

這些監控、保護及平衡功能確實需要額外的電池組電流才能運作，但 BQ76952 會使用電源模式將電池組電流消耗最佳化。在主動充電或放電期間，此裝置會以峰值性能運作，持續追蹤電壓、電流及溫度。但在電池組進入閒置狀態時，電流會下降至低基值，裝置則會自主轉換至睡眠模式，進而將從電池組汲取的功率降至低達 24uA。即使在此模式下，BQ76952 仍會偵測電池組電流，若突然開始充電或放電，其便會立即轉換回全功率運作，以獲得最佳性能。

雖然如此可在客戶擁有電池組時減少功率，但在購買和使用產品之前，產品通常需要長期存放在貨架上或庫存儲存中。為了將電池組電流降至最低並延長前述保存壽命，BQ76952 也支援消耗 1uA 的關機模式 (又稱為運送模式)，以及消耗 10uA 的深沉睡眠模式，為系統設計師提供不同選項，以將電池組功率最佳化。此裝置包含可透過下列方式將裝置從關機模式喚醒的功能：連接充電器、按下單元的按鈕，或是將電池組插入系統。

配備準確電池芯量測及高壓側 MOSFET 控制參考設計的 10s-16s 電池組參考設計提供了電池組實作，包括用於監控、保護、電池芯平衡及 FET 驅動的 BQ76952；提供備援過電壓/欠電壓保護的 BQ77216 次要保護器；msp430 微控制器；以及用於與系統其他部分進行通訊的 TCAN1044 CAN 收發器。下方所示的整個設計可實現 10uA 的運送模式電流，並在待機、閒置模式下實現 100uA。

結論

整體來說，準確計量與 50-μA 待機電流、13S、48-V 鋰離子電池參考設計可實現準確的充電狀態計量 (透過 BQ34Z100-R2)，並減少待機與運送模式的電流消耗 (透過最佳化的偏壓電源解決方案)。具備準確電池芯量測及高壓側 MOSFET 控制參考設計的 10s-16s 電池組參考設計，則可實現具電源效率的實作，以進行監控、保護、平衡與保護 FET 控制，進而將電流消耗降到最低，並為最終客戶延長電池運作時間。這兩個解決方案相輔相成，可提升電動自行車電池組的能源運用效率，讓使用者享有更長的使用時間。

其他資源

• 歡迎查看我們的電池管理訓練影片「Impedance Track 的優勢」。