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作者:Shawn Hinkle 

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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 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。

  

1BQ76952 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。

  

2BQ76952 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:

  • 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 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。

 

3BQ76952 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。

4BQ76952 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。

 

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