作者:Shawn Hinkle
隨著電池技術的應用日益多元,新的設計挑戰也開始出現。與手機或筆記型電腦等電池供電應用相比,許多工業場合上的應用需要較大型的多節電池組。舉例而言,智慧移動(e-mobility)等工業電池管理系統、備用電池系統或吸塵器等應用,可能需要 12、16、24 或更多個串聯電池單元。傳統電池監測器每台裝置只能支援 16 個串聯電池單元,因此,如果電池管理系統配備 16 個以上的串聯電池單元,便需要多個電池監測器。堆疊多個監測器需要額外元件,才能讓系統內的監測器彼此溝通。
利用 TI 的 BQ76952 進行堆疊
BQ76952 可針對多種系統故障進行電池組監測。發生故障時,必須將故障訊號傳送至保護場效應電晶體(FET)。堆疊中的所有電池監測器都必須與保護 FET 連接。BQ76952 配備高端 N 通道 FET 驅動器,在堆疊配置中效用有限,不妨結合接地端的保護訊號,有助控制低端保護 FET。
圖 1 為堆疊兩個 BQ76952 電池監測器的示意圖,此配置使用外部電路來控制低端保護 N 通道 FET。每一元件的 I2C 匯流排都路由至主微控制器,上部元件使用的是 2.5-kV I2C 隔離器。與只採用單一電池監測器的設計相比,圖 1 的配置需要一些額外元件,才能將兩個監測器從斷電模式中喚醒。保護 FET 斷電時,也需要其他零組件來提供負載偵測功能。
圖 1:BQ76952 電池監測器堆疊配置原理圖
利用 BQ76952 提供電池系統保護
與通訊信號相同,保護訊號也必須正確配置。BQ76952 提供邏輯電平輸出,能與用於高端 FET 驅動器的控制對應。這些輸出來自各監測器的本地低壓差線性穩壓器(LDO),具有高達 5 V 的可編程電壓。如前面所述,整合這些堆疊元件的訊號有助控制低端 N 通道 FET,原理圖如圖 2。
圖 2:BQ76952 電池監測器整合保護解決方案
BQ76952 在低電流消耗時會進入斷電模式,您可以透過以下兩種方式解除斷電模式,恢復一般操作:
- 對 LD 針腳施以電壓。一般接上充電器時,LD 針腳也會產生電壓。
- 將 TS2 針腳(在斷電時能提供微弱的 5-V 電壓及 5-MΩ 的電源阻抗)拉至 VSS 電源端子。
堆疊中的每個監測器都必須配備啟動功能,以確保整體系統正常運作。連接充電器能對裝置的 LD 針腳施以電壓,也同時會促使啟動,不過必須布建適當的電路,才能確保每一針腳的電壓值不超過產品規格表的規定值。
BQ76952 可支援高達 400-kHz I2C、串列周邊介面(SPI)與高速資料輸入/輸出(HDQ)通訊。每個裝置都可配置,並有各自的 I2C 地址。從 TI 的 20 節應用的工業電池管理模組參考設計可見,使用 ISO1541 隔離器有助與上元件的通訊。另一個選擇為使用離散電路進行電平移位變化。圖 3 為支援 SPI 通訊的離散電路範例。
圖 3:BQ76952 電池監測器堆疊解決方案中的串列通訊
利用 BQ76952 進行負載偵測
BQ76952 也具備負載偵測功能,可判斷 FET 斷電時,負載是否從電池組被移除。由於負載決定了電池監測器的工作狀態,且堆疊中所有監測器在任何時間點都應處於相同模式,因此這一訊號必須傳輸至堆疊中的各個裝置。斷電的 FET產生短路或過電流時,您可以使用偵測功能進行復原。
負載偵測功能專門用於搭配高端 FET。FET 斷電時,元件會定期從 LD 針腳供應 100-µA 的電流,並量測針腳電壓。電壓若高於 4-V 閾值,元件會偵測負載是否已經移除。您可以在堆疊配置中以此功能搭配低端 FET 與其他外接電路。圖 4 為負載偵測電路的範例。
圖 4:BQ76952 電池監測器堆疊配置的負載偵測
利用 BQ76952 進行電池平衡
使用多個電池監測器時,連結底部與頂部裝置的電池單元之間,可能產生不平衡的問題。為了避免堆疊中功耗不等而發生不平衡,必須配置堆疊中每個裝置,自內部啟動同一套模組或零組件,才能維持功耗平衡。設計人員必須費心平衡任何由堆疊裝置 LDO 供電的外部電路。如果這個問題造成設計困難,可考慮利用各監測器以及其堆疊頂部對應 LDO 使用的電源電壓。
有了隨機電池單元連接功能,無論電池單元如何連接,元件都能照常運作。然而,多元件設計不一定支援此種功能,必須深入了解各元件的使用準則,正確連接電池單元,才能避免保險絲熔斷。BQ76952 電池監測器能支援產線編程,進行單次可編程記憶體設定。
結論
電池在廣泛工業應用的同時,也衍生出工程設計上的新挑戰,由於單一電池監測器無法支援多節應用,堆疊多個元件有其必要。TI 最新的電池監測器系列可進行堆疊配置,滿足此一設計需求。
其他資源
- 閱讀技術文章:提高電池監測系統的電壓量測準確度與提高電池監測系統的溫度量測準確度。
- 閱讀應用報告:輕鬆配置 BQ76942、BQ76952 電池監測器。
- 觀看培訓影片系列:BQ76952 與 BQ76942 電池監測器。