2020/06/03

作者:  德州儀器應用工程師 Matt Sunna

 

鋰離子電池優點包括能量密度高、生命周期長,但不會產生記憶效應,因此格外適合可攜式電子系統,然鋰離子電池在使用時,仍然得注意特定限制,以確保安全;若超過限制時,電子元件必須即時反應或傳送訊號至系統。

 

電池電子元件監控各種狀態變化,如電壓、電流、溫度等。這些元件必須感測前述狀態的各式組合後,才能決定該如何因應。例如:傳送訊號至系統、啟動開關以避免充電或放電,或是熔斷保險絲。圖一為典型電池組內電子元件的配置範例。

 

 

圖一:電池組內的電子元件

 

電池電子元件類型取決於電池組類型,簡易型電池組可能只需簡易保護器,包含基本過電壓保護器(overvoltage protector)至進階型保護器,其可因應欠電壓 (under-voltage)、溫度故障或電流故障,亦可搭配監測器或電量計使用。

 

許多多節電池 (higher-cell-count batteries) 的進階型電池組中,都需要電池監測器,可量測個別電池電壓、電流和溫度,並將數值傳送至電量計或微控制器;系統再依此資訊調整性能,例如在溫度過高時降低運作電流。電池監測器也能提供電池均衡功能,可延長電池運作時間和壽命;監測器亦包括 IC 內的保護功能,但配置彈性更高。

 

電量計 IC 整合電池監測器與控制器的功能,以提供進階的電量計演算法,電量計 IC 可回報剩餘電量、運作時間、充電狀態;以軟體為基礎的演算法,可進一步提升保護效果。電量計通常包括其他實用功能,如黑盒子功能可協助診斷現場故障的電池組,亦可記錄電池壽命期間的狀態高低變化、動態管控充電器,或認證安全電池。

 

圖二列出不同電池電子元件類型的重要功能差異。

 

                                                                                                                                      

圖二:保護器、監測器、電量計功能差異

 

當在為系統選擇理想電池電子元件時,何種功能最重要?

衡量各種電池電子元件選項的優缺點時,必須考量以下各項特性:

  • 簡易型電池組設計中,保護器的複雜度最低
  • 監測器具備最大的彈性,可依據系統需求編寫程式,對獨特需求格外重要
  • 電量計 IC 整合程度最高,可提供最準確的充電狀態資訊,由於內含韌體,開發時間也最短,但可能限制彈性

 

圖三為使用 BQ769x0 電池監測器的解決方案範例,系列產品適用於五顆(BQ76920)、十顆(BQ76930)或十五顆(BQ76940)電池,且可使用相同的控制器軟體,故系列可彈性串聯三至十五顆電池。監測器透過感測電阻器,持續量測電池電壓、溫度和電流,再將資訊回報至微控制器;可提供多種可組成的硬體保護,依據故障情況,亦可視需求開啟充電與放電場效電晶體。微控制器可依據監測器提供的資訊判斷,例如開/關場效電晶體、控制電池均衡功能,甚至依照電壓、電流和溫度資訊,執行基本電量監測。

 

圖三:使用 BQ769x0 與微控制器的電池監控器解決方案範例

 

圖四為稍微進階的電池組範例,相同的監測器系列搭配 BQ78350-R1 控制器, BQ78350-R1 內含韌體,可直接搭配 BQ7620 、 BQ76930BQ76940 數位監測器,協助加速產品開發。BQ78350-R1 亦具備電量測量和領先的狀態通報功能,更包括許多 TI 電池電量計的常見功能,如使用期間資料紀錄與黑盒子紀錄。

 

圖四:進階型電池組,使用 BQ769x0、BQ78350-R1 控制器與電池電量計、BQ76200 高側 FET 驅動器、BQ7718 次級保護器

 

許多系統需要次級保護器處理過電壓,這項範例使用 BQ7718 可堆疊過電壓保護器,若主要保護器失靈,可直接熔斷保險絲。

 

有些系列可能需要使用高側 FET,無論啟動與否,高側 FET 均可持續與電池組通訊,故即使發生安全故障,系統仍可讀取電池組重要資訊,並在運作重啟之前掌握電池組狀況。在需要高側 FET 的系統中,BQ76200 高側 N-channel FET 驅動器可搭配 BQ76920BQ76930BQ76940 監測器。

 

使用鋰離子電池設計系統時,為了安全及電池性能,必須考量諸多因素,可依據系統需求,選擇適當的保護器、電池監測器和電池電量計。

 

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