下一代電池監(jiān)控器：如何在提高精度和延長運行時間的同時提高電池的安全性

近年來，諸如吸塵器、電動工具（如鉆頭、鋸子和螺絲刀）和園藝工具（如割草機、修邊機和草坪拖拉機）等消費品已從依靠繩索和墻壁供電轉(zhuǎn)變?yōu)闊o繩設(shè)備和充電電池供電。即使是以前沒有動力的自行車，現(xiàn)在也在向電池驅(qū)動的電動自行車和電動摩托車轉(zhuǎn)變。

這些電池組通常由單塊鋰離子電池、鋰聚合物電池或磷酸鋰電池構(gòu)成，如果使用不當可能會造成危險，從而導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。為確保電池的安全使用，電池組內(nèi)的電子器件對電池進行監(jiān)控，使電池僅在電池制造商規(guī)定的條件下運行。這些條件通常包括：

· 最大允許充電電壓。

· 最大充放電電流。

· 規(guī)定的充放電溫度范圍。

因此，測量電池組內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要，尤其是電池組內(nèi)電池電壓、電流和溫度，因為這些參數(shù)超過極限值時，將會觸發(fā)適當?shù)谋Ｗo措施。

測量數(shù)據(jù)必須準確，以便設(shè)計人員決定在設(shè)計中包含多少裕度。例如，如果電池規(guī)格將全充電電壓限制為4.3V，但測量數(shù)據(jù)的精度為±50 mV，則設(shè)計人員必須將系統(tǒng)配置為在測量顯示電壓高于4.25V時禁用充電。但是，由于實際電池電壓可能低至4.2V，在這種情況下，充電會在電池充滿電之前停止，從而導(dǎo)致應(yīng)用容量的浪費和電池壽命縮短。

BQ76942和BQ76952等電池組的高精度電池監(jiān)視器和保護器專為使用鋰離子、鋰聚合物或磷酸鋰電池的應(yīng)用設(shè)計。這些設(shè)備支持從3s到10s（BQ76942）和16s（BQ76952）的串聯(lián)電池組，可以測量電池電壓、電流和溫度，并可以與其他電路共享數(shù)據(jù)，例如電池組中的獨立微控制器或電動自行車中的系統(tǒng)控制器。BQ76942和BQ76952還可以使用數(shù)據(jù)自動觸發(fā)電池保護，禁用電池組以避免超出制造商規(guī)范運行，并在條件允許時重新啟用電池組，無論是否與主機或系統(tǒng)微控制器交互。

圖 1展示了BQ76952的框圖，其集成了：

·   測量和檢測子系統(tǒng)，用于監(jiān)測電壓、電流和溫度，以便在參數(shù)超過允許閾值時進行檢測。

·   驅(qū)動外部保護FET和化學(xué)熔絲的執(zhí)行器。

·   一個數(shù)字主機接口子系統(tǒng)，除了用于選擇功能的引腳控件外，還支持多個串行通信標準。

·   多個電壓調(diào)節(jié)器，一個用于內(nèi)部電路，兩個供外部使用。

圖1：BQ76952框圖

圖2顯示了基于BQ76952的16s電池組的簡化原理圖，使用I²C與主微控制器通信。集成調(diào)節(jié)器為微控制器和可選的外部收發(fā)器提供電源軌。

·   單塊電池的差分電壓和選擇額外的系統(tǒng)電壓。

·   電池組電流和通過的電荷（庫侖計數(shù)）。

·   內(nèi)部裸片和9個外部熱敏電阻溫度讀數(shù)。

圖2：基于BQ76952的16s系統(tǒng)簡化原理圖

BQ76942和BQ76952中的測量子系統(tǒng)將電池組內(nèi)的各種電壓、電流和溫度數(shù)字化。由于每個測量都有特定的要求，因而這些測量是以不同的方式獲得的。例如，溫度變化緩慢，因此可以緩慢地進行測量和計算。然而，電池組電流可能有短脈沖活動，如果不連續(xù)采樣，可能會遺漏。

處理電壓和庫侖計數(shù)器ADC生成的值，以提供測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在設(shè)備內(nèi)使用，并可供電池組內(nèi)的單獨處理器、電動工具或電動自行車中的系統(tǒng)控制器訪問。這些數(shù)據(jù)包括：

·   單塊電池的差分電壓和選擇額外的系統(tǒng)電壓。

·   電池組電流和通過的電荷（庫侖計數(shù)）。

·   內(nèi)部裸片和9個外部熱敏電阻溫度讀數(shù)。

支持外部熱敏電阻測量的引腳也可用于通用ADC輸入，支持不超過~1.8V的輸入電壓。電壓ADC在測量回路上工作，且輸入在多個輸入之間定期多路復(fù)用。BQ76942和BQ76952的測量子系統(tǒng)包括多個可編程選項，可以在測量速度和精度之間進行優(yōu)化和權(quán)衡。

隨著電池供電的消費品越來越流行，確保它們在安全電壓、電流和溫度范圍內(nèi)運行至關(guān)重要。具有集成功能的電池監(jiān)視器可以幫助設(shè)計工程師在提高精度的同時解決這三個關(guān)鍵問題。有關(guān)使用TI電池監(jiān)視器進行設(shè)計的更多信息，請查看下面的其他資源。