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电池SOC 估算方法中卡尔曼滤波器法

汽车电子硬件设计 2020-09-21 15:51 次阅读

本期主要介绍的是电池SOC估算方法中的第三种方法的剩余部分——卡尔曼滤波器法。我们一起来学习吧!

还是先上图简单说明下本期文章主要介绍的SOC估算方法(蓝字部分为本期主要讲述方法):

卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器(KalmanFilter-KF)是一种公认的可以用来估算动态线性系统的内部状态的技术。基本上,KF是一组递归方程,它由两部分组成:

预测步骤:用于预测系统的输出;

系统状态、误差和修正步骤:基于系统的输出来修正当前状态的估算值。

KF滤波过程如下图所示:

为了使用KF来估算电池SOC,电池的状态空间模型使用ECM来搭建。考虑到系统噪声和观察噪声,搭建了离散状态空间模型。由于OCV(由二阶RCECM中的电压源来表示)和电池的SOC具有非线性关系,并且KF算法只适用于线性系统,所以线性化的方法作为辅助部分应该具有可以接受的精度。作为线性化过程的结果,我们可以把离散的状态空间模型方程简化为更简单的条件。可测量值和系统状态变量之间的广义误差(比如:SOC),使用输出方程来计算KF。然后将卡尔曼增益调整为更新的系统变量(SOC)。由于电池系统的高度非线性特性和电池模型的不匹配,KF方法可能会输出不准确的结果。通常来说,当电流作为输入时,终端电压会被作为输出,这时候的电池SOC就被看成是隐藏的状态,这个隐藏状态就是通过KF/EKF/UKF/PF来估算的。

扩展卡尔曼滤波器扩展卡尔曼滤波器(ExtendedKalmanFilter-EKF)是KF的改进版本,它使用状态空间模式来估算非线性动态系统的内部状态。简单来说,就是根据以前的数据来预测系统未来的状态。当它被用来估算SOC的时候,它使用了先进的电池电芯模型并且需要相对比较高的计算能力。

EKF由两个方程式组成:

第一个方程是由使用ECM的参数构造的矩阵,以及系统状态(SOC)矩阵、可测输入矩阵和不可测的过程噪声;

第二个方程是测量方程,它展示了根据系统的状态向量,可测量的输入矩阵和测量噪声得出的输出电压。

我们可以使用适当的软件工具来估算SOC。(MATLAB-Simulink)

在某些EKF方法中,建立一个内部滤波器来调整SOC,一个外部滤波器用来调整电池模型。

根据SOC和电芯的模型,内部滤波器使用测量的电流值来预估相应的电压。SOC通过测量的电压值和预估的电压值对比后进行调整。因此,系统的反馈是电压,输出是SOC。在通过长时间的监测外加的电流和电压后,外部的滤波器会逐步地调整系统模型的参数。通过这种方法,我们可以实时地检测和模型化电芯的老化和其他生命周期的影响。为了从EKF的方法中得到更好的结果,我们必须建立一个精确的电池模型,并且视为非线性时变动态系统。最常用的模型是ShepherdMode,UnnewehrModel,NernstModel,LinearModel,TheveninModel和RCModel。

EKF模型不仅可以用来在线估算电池SOC和跟踪电池充电状态参数,还可以用来识别电池模型的参数。

无迹卡尔曼滤波器由于锂离子电池系统的SOC具有高度的非线性特性,所以EKF方法可能会产生一个很大的误差,因为逼近线性函数是一节或者二阶泰勒级数的展开。除了上述的缺点之外,EKF方法还必须计算JacobianMatrix(雅克比矩阵),并且如果系统包含非高斯噪声,那么产生的结果可能是不可接受的。因此我们建立无迹卡尔曼滤波器(UnscentedKalmanFilter-UKF)来提高KF和EKF方法的精度。由于UKF也计算非高斯噪声,并且不用计算雅克比矩阵,因此更适用于估算电池SOC。

在这种方法中,电池的SOC被选为状态向量的元素。在建议的UKF方法中的两个子模型是过程模型和测量模型,它是用来形容电池SOC和电芯状态(比如:电流、终端电压、温度)之间的关系的。

以上就是本期对SOC估算算法里的卡尔曼滤波器法的简单介绍,下期文章将继续为大家带来以上估算方法的优缺点总结以及简单的卡尔曼滤波算法的实现(只为学习了解KF原理使用)。我们下期再见啦!为了防止有的小伙伴没有看到系列文章的前几篇,特附上前面原文链接:BMS算法设计之电池SOC介绍(一)BMS算法设计之SOC估算方法(二)BMS算法设计之SOC估算方法(三)如果有不同的看法欢迎扫描下方的二维码关注本公众号,我们期待着和大家一同交流。参考资料:知网、Energy期刊、相关书籍等

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原文标题:BMS算法设计之SOC估算方法(四)

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11F是一款用于移动电源的锂离子开关充电器控制器。该设备具有控制移动电源应用的所有功能。它包括Type-C端口控制和Quick Charge 3.0 HVDCP。此外,该器件在USB数据线上自动施加2.0 V或2.7 V电压,用于需要电压的设备。内置开关控制器可输出5 V至12 V的快速充电电压。通过适当的外部MOSFET可以实现USB Type-C和快速充电的高功率输出。 特性 优势 使用外部MOSFET轻松实现功率扩展 外部MOSFET的功率调节支持30 W应用 降压充电/升压充电 准备移动电源应用所需的基本功能 支持快速充电3.0 HVDCP A类.5 V至12 V 可以消除HV Boost IC和QC通信IC。它降低了设置成本。 支持无需外部IC的USB C型DRP 内置端口控制IC 在USB数据上应用2.7 V或2.0 V设备的行需要它 识别PortableDevice的类型并需要最合适的当前 准备好的固件支持各种USB端口组合 它可以根据客户型号更改固件。 支持USB BC1.2 支持通用适配器 电池电量测量 各种电池的简单设置 状态&带4个LED的电池电量显示 ...
发表于 04-18 20:26 299次 阅读
LC709511F 移动电源控制器 USB Type-C和快充TM 3.0 应用于单节锂离子电池和锂聚合物电池

LC709201F 电池电量计

信息 LC709201F是一款IC,可通过监测电池电压来测量1节锂离子二次电池的剩余电量,无需外部检测电阻,并检测剩余电量电流预测的电池功率水平。它监控电池电压并实现精确测量剩余电池电量的功能。此外,IC利用利用热敏电阻输入温度的温度校正功能,更加精确地实现了计算剩余电池电量的功能。 放电时的精度为±5% %/ 0%(环境工作温度为0°C至50°C) 剩余功率水平每秒测量四次,并在每次测量时计算。 我 C总线,支持从模式通信,最高支持100kHz...
发表于 04-18 20:25 63次 阅读
LC709201F 电池电量计

LC709203F 单节锂电池电量计[智能电量计]

03F是一款应用在单节锂电池上的电量计。它是属于我们其中一款“智能电量计”系列中的成员,采用了我们独家的运算方法 - “HG-CVR”来实现高精度。即使在不稳定的条件下(例如:改变电池;温度,负载,老化及自放电),通过“HG-CVR”的运算原理,我们可以削减库仑电量计上的精密电阻的同时,保持相同精度的电量情报(RSOC)。我们提供了2种小封装以实现业界最小的PCB面积。客户只需要做非常少的参数设定就可以简单的,快速的应用我们的产品。 特性 “HG-CVR”运算技术无需外置精密电阻 2.8%的RSOC精度即使老电池也可提供准确的RSOC 自动修正误差 功耗:3μA的工作模式 准确的电压检测:±7.5 mV 准确的时钟:±3.5% 低电量及低电压时有警报 温度补偿:通过IIC输入温度的热敏情报 检测电池的插入 IIC通讯(支持到400 kHz IIC) 应用 终端产品 针对手提设备及无线应用的电池管理 无线手机 智能手机/ PDA机器 MP3播放器 数码相机 手提式游戏机 USB关联的设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:25 144次 阅读
LC709203F 单节锂电池电量计[智能电量计]

LC709501F 移动电源控制器 USB Type-C和快充TM 3.0 应用于单节锂离子电池和锂聚合物电池

01F是一款用于移动电源的锂离子开关充电器控制器。该设备具有控制移动电源应用的所有功能。它可以控制Type-C端口控制IC,包括Quick Charge 3.0 HVDCP。内置开关控制器可输出5 V至12 V的快速充电电压。通过适当的外部MOSFET可以实现USB Type-C和快速充电的高功率输出。 特性 优势 支持带端口控制IC的USB C型DRP 用于控制Type-C端口控制IC的MCU可以省去。此外,客户无需开发MCU软件。 支持快速充电3.0 HVDCP A类.5 V最高12 V 可以消除HV Boost IC和QC通信IC。它降低了设置成本。 便携式设备通信显示智能手机上的移动电源电池信息(USB 2.0全速主机控制器)(规划) 客户可以享受智能手机屏幕上的移动电源详细信息显示 降压充电/增压充电 准备移动电源应用程序中所需的基本函数 低静态电流:低功耗模式下15μA 低功耗有助于延长电池寿命 支持5 V至12 V操作 支持一般智能手机充电电压 使用外部MOSFET轻松实现功率调节 外部MOSFET的功率调节支持30 W应用 自动USB检测 此功能已准备为基...
发表于 04-18 20:25 305次 阅读
LC709501F 移动电源控制器 USB Type-C和快充TM 3.0 应用于单节锂离子电池和锂聚合物电池

LC06111TMT 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

信息 LC06111TMT是用于带有集成功率MOSFET的1节锂离子二次电池的保护IC。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过流放电和过流充电。电池保护系统只能由LC06111TMT和少量外部元件制造。 充放电功率MOSFET集成 导通电阻(充放电总量)8.4mΩ(典型值) 高精度检测电压/电流在Ta = 25°C,VCC = 3.7 V 过充电检测±25 mV 过放电检测±50 mV 充电过流检测±0.9 A 放电过流检测±0.9 A 放电/充电过流检测补偿功率FET的温度依赖性 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:25 60次 阅读
LC06111TMT 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

LC05112CMT 电池保护控制器 集成MOSFET 1节锂离子电池

2CMT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,集成了功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05112CMT和少量外部部件组成。 特性 优势 集成电源MOSSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 短TAT,高精度 减少过电流检测的分散 高安全性 低电流...
发表于 04-18 20:22 115次 阅读
LC05112CMT 电池保护控制器 集成MOSFET 1节锂离子电池

LC05132C01MT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

2C01MT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,集成了功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。此外,主系统可以通过关闭LC05132C01MT的充电FET和放电FET一段时间来执行自身的上电复位,并带有复位信号。电池保护系统只能由LC05132C01MT和少量外部部件组成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修剪 准备的短TAT 减少过电流检测的分散 高度准确检测 复位功能复位释放时间:5s(典型值)[Ta = 25°C] 更安全的嵌入式电池操作 应用 终端产 1节锂离子二次电池保护 智能手机 平板电脑 可穿戴设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:22 71次 阅读
LC05132C01MT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

LC05132C01NMT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

2C01NMT是一款用于1节锂离子二次电池的保护IC,内置功率MOS FET。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。此外,主系统可以通过关闭LC05132C01NMT的充电FET和放电FET一段时间来执行自身的上电复位,并带有复位信号。电池保护系统只能由LC05132C01NMT和少量外部元件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 为准备样本排序TAT 减少过流消除的分散 高度准确的检测 复位功能复位释放时间:1s(典型值)[Ta = 25°C] 更安全的嵌入式电池操作 应用 终端产品 1节锂离子二次电池保护 智能手机 平板电脑 可穿戴设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:22 92次 阅读
LC05132C01NMT 带集成MOSFET 1节锂离子电池的电池保护控制器

LC05711ARA 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

信息 LC05711ARA是一款带有集成功率MOSFET的单节锂离子二次电池保护IC。它还集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05711ARA和少量外部元件制成。 集成了充放电功率MOSFET 导通电阻(充放电总量)4.8mΩ(典型值) ) Ta = 25°C时高精度检测电压/电流,VCC = 3.7 V 过充电检测±25 mV 过放电检测±50 mV 充电过流检测±0.7 A 放电过流检测±0.7 A 放电/充电过流检测得到补偿功率FET的温度依赖性 ECP30 WLP封装 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:22 100次 阅读
LC05711ARA 电池保护IC,集成功率MOSFET,单节锂离子电池

LC05111CMT 电池保护控制器 含集成功率MOSFET 单节锂离子电池

1CMT是一款电池保护电路,用于带有集成功率MOSFET的1节锂离子二次电池。此外,它集成了高精度检测电路和检测延迟电路,以防止电池过充电,过放电,过电流放电和过电流充电。电池保护系统只能由LC05111CMT和少量外部部件制成。 特性 优势 集成功率MOSFET 简易设计 低Rsson11mΩ 低功耗 PKG保险丝修整 准备样品的短TAT 减少过电流检测的分散 高度准确的检测 应用 终端产品 锂离子电池保护 智能手机 平板电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:22 131次 阅读
LC05111CMT 电池保护控制器 含集成功率MOSFET 单节锂离子电池

BQ40Z60 bq40z60 完整多节电池管理器

信息描述德州仪器 (TI) bq40z60 器件是一款可编程的电池管理单元,其集成有电池充电控制输出、电量监测和相关保护功能,能够完全自主地操作 2 至 4 节串联锂离子和锂聚合物电池组。此架构在电量监测处理器与电池充电器控制器之间实现内部通信,从而在系统负载瞬变和适配器电流限制期间根据外部负载条件和电源路径来源管理来优化充电量。可通过 NFET、电感和感测电阻等外部元件针对具体功率传输情况来调节充电电流效率。 该器件提供了电池阵列和系统安全功能,包括电池放电过流、充电短路和放电短路保护,以及针对 N 沟道 FET 的 FET 保护、内部 AFE 看门狗和电池断开连接检测。器件可通过固件提供更多保护 功能, 包括过压、欠压、过热等。特性全集成 2 节至 4 节串联锂离子或锂聚合物电池管理单元Pack+ 上的输入电压范围:2.5V 至 25V电池充电器效率 > 92%电池充电器工作范围:4V 至 25V针对外部 N 沟道场效应晶体管 (NFET) 的电池充电器 1MHz 同步降压控制器软启动,限制浪涌电流外部开关限流保护可编程充电支持 JEITA/增强型充电模式 电量监测用于库伦计数器的 16 位高分辨率积分器16 位模数转换器 (ADC),通过 16 通道多路复用器...
发表于 04-18 19:10 125次 阅读
BQ40Z60 bq40z60 完整多节电池管理器

BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

信息描述 德州仪器 (TI) bq34z110 是一款独立于电池串联配置之外工作的电量计解决方案,此解决方案支持铅酸化学电池。 通过一个外部电压转换电路,可支持 4V 至 64V 的电池,可对此电路进行自动控制以减少系统功耗。bq34z110 器件提供几个接口选项,其中包括一个 I2C 从接口、一个 HDQ 从接口、一个或者四个直接 LED 接口、和一个警报输出引脚。 此外,bq34z110 提供对于外部端口扩展器(支持多于四个 LED)的支持。特性 支持铅酸化学电池 使用获得专利的 Impedance Track 技术,用于电压范围为 4V 至 64V 的电池老化补偿 自放电补偿支持的电池容量超过 65Ahr 支持高于 32A 的充放电电流 外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻支持 支持两线制 I2C 和与主机系统进行通信的 HDQ 单线制通信接口 安全哈希算法 (SHA)-1,哈希消息认证码 (HMAC) 认证 一个或者四个直接显示控制 五个 LED 和通过端口扩展器的更多显示 精简的功率模式(典型电池组运行范围条件)正常运行:平均值 < 140µA 睡眠模式:平均值 < 64µA 完全睡眠模式:平均值 < 19µA 封装:14 引脚薄型小外形尺寸封装 (TSSOP)电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:10 117次 阅读
BQ34Z110 用于铅酸电池的采用 Impedance Track™ 技术的宽量程电量测量计

BQ40Z50 1 节、2 节、3 节和 4 节锂离子电池组管理器

信息描述 bq40z50 器件采用已获专利的 Impedance Track 技术,是一款基于电池组的单芯片全集成解决方案,针对 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组提供电量监测、保护及认证等一些列丰富的功能。bq40z50 器件利用其集成的高性能模拟外设,测量锂离子或锂聚合物电池的可用容量、电压、电流、温度和其他关键参数,保留准确的数据记录,并通过 SMBus v1.1 兼容接口将这些信息报告给系统主机控制器。 bq40z50 器件为主机系统提供最大的功率和电流,从而支持 Turbo 升压模式。 该器件还支持电池跳变点,从而在预设的充电阈值状态向主机系统发送 BTP 中断信号。 bq40z50 针对过压、欠压、过流、短路电流、过载和过热情况,以及其他电池组和电池相关故障提供基于软件的 1 级和 2 级安全保护。具有针对认证码密钥的安全内存的 SHA-1 认证能够识别真正的电池组。这个紧凑的 32 导线 QFN 封装在尽可能地提供电池电量测量应用的功能性和安全性的同时,最大限度地降低解决方案成本和智能电池的尺寸。特性全集成 1 节、2 节、3 节和 4 节串联锂离子或锂聚合物电池组管理器及保护 下一代已获专利的 Impedance Track 技术可准确测量锂离子和锂聚合物电池...
发表于 04-18 19:10 504次 阅读
BQ40Z50 1 节、2 节、3 节和 4 节锂离子电池组管理器

BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

信息描述bq27545-G1 锂离子电池电量计是一款微控制器外设,此外设能够提供针对单节锂离子电池组的电量计量。此器件只需开发较少的系统微控制器固件即可实现精确的电池电量计量。bq27545-G1 安装于电池组内或者带有一个嵌入式电池(不可拆卸)的系统主板上。 bq27545-G1 使用已经获得专利的 Impedance Track™ 算法来进行电量计量,并提供诸如剩余电量 (mAh)、充电状态 (%)、续航时间(最小值)、电池电压 (mV) 和温度 (°C) 等信息。该器件还提供针对内部短路或电池端子断开事件的检测功能。bq27545-G1 还 具有 针对安全电池组认证(使用 SHA-1/HMAC 认证算法)的集成支持功能。 该器件还采用 15 焊球 Nano-Free™ DSBGA 封装 (2.61 mm × 1.96 mm),非常适合空间受限的 应用。特性适用于 1 节 (1sXp) 锂离子电池的电池电量计 应用 支持高达 14500mAh 的容量 微控制器外设提供:用于电池温度报告的内部或者外部温度传感器安全哈希算法 (SHA)-1 / 哈希消息认证码 (HMAC) 认证使用寿命的数据记录64 字节非易失性暂用闪存 基于已获专利的 Impedance Track™技术的电池电量计量用于电池续航能力精确预测的电池放电模拟曲线针对电池老化、电...
发表于 04-18 19:10 168次 阅读
BQ27545-G1 单节、电池组端 Impedance Track 电量监测计

BQ27010 单节锂电池和锂聚合物电池电量监测计 IC

信息描述The bqJUNIOR™ series are highly accurate stand-alone single-cell Li-Ion and Li-Pol battery capacity monitoring and reporting devices targeted at space-limited, portable applications. The IC monitors a voltage drop across a small current sense resistor connected in series with the battery to determine charge and discharge activity of the battery. Compensations for battery age, temperature, self-discharge, and discharge rate are applied to the capacity measurments to provide available time-to-emptyinformation across a wide range of operating conditions. Battery capacity is automatically recalibrated, or learned, in the course of a discharge cycle from full to empty. Internal registers include current, capacity, time-to-empty, state-of-charge, cell temperature and voltage, status, and more.The bqJUNIOR can operate directly from single-cell Li-Ion and Li-Pol batteries and communicates to the system over a HDQ one-wire or I2C serial interface.特...
发表于 04-18 19:10 86次 阅读
BQ27010 单节锂电池和锂聚合物电池电量监测计 IC

BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

信息 Texas仪器bq27541-G1锂离子电池电量计是一种微控制器外围设备,可为单节锂离子电池组提供电量计量。该器件几乎不需要系统微控制器固件开发来实现精确的电池电量计量bq27541-G1位于电池组内或系统主板上,带有嵌入式电池(不可拆卸)。 bq27541-G1使用获得专利的Impedance Track™算法进行电量计量,并提供剩余电池容量(mAh),充电状态(%)等信息,运行时间为空(最小),电池电压(mV)和温度(°C)。它还提供内部短路或制表断开事件的检测。 bq27541-G1还使用SHA-1 / HMAC认证算法集成了对安全电池组认证的支持 优势特点 用于1系列(1sXp)锂离子电池应用的电池电量计32Ahr容量 微控制器外设提供: 精确的电池电量计支持高达32Ahr 用于电池温度报告的内部或外部温度传感器 SHA-1 / HMAC认证 终身数据记录 > 64字节的非易失性划痕垫FLASH 基于专利阻抗跟踪技术的电池电量计量 模型电池放电曲线,用于准确的时间到空预测 自动调整电池老化,电池自放电,&n温度/速率低效 低值检测电阻(5mΩ至20mΩ) 高级电量计功能 内部短暂检测 标签断开检测 ...
发表于 04-18 19:10 223次 阅读
BQ27541-G1 具有集成 LDO 的电池组端 Impedance Track 电池电量监测

BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器

信息描述 bq24278 高度集成的单节锂离子电池充电器和系统电源路径管理器件针对空间有限且带有高容量电池的便携式应用。 单节充电器由一个诸如 AC(交流)适配器或者无线电源的专用充电源供电运行。此电源路径管理特性使得 bq24278 能够在为电池独立充电的同时从一个高效 DC 到 DC 转换器为系统供电。 此充电器一直监视电池电流并在系统负载所需电流超过输入电流限制时减少充电电流。 这样可实现正常的充电终止和定时器运行。 系统电压被调节至电池电压,但不会下降至低于 3.5V。 最小系统电压支持使得此系统能够与一个残次品或者有缺失的电池组一起运行并且即使在电池完全放电或者无电池的情况下也可实现瞬时系统启动。 当适配器不能传送峰值系统电流时,此电源路径管理架构还允许电池补充系统电流需要。 这样可使用较小的适配器。 电池充电经历以下三个阶段:充电,恒定电流和恒定电压。 在所有的充电阶段,一个内部控制环路监视 IC 结温并且在超过内部温度阀值的情况下减少充电电流。 此外,bq24278 提供一个基于电压的电池组热敏电阻器监控输入 (TS) 来监控电池温度以保证安全充电。特性 具有独立电源路径控制的高效开关模式充电器从深度放电电池或者在无电...
发表于 04-18 19:10 138次 阅读
BQ24278 具有电源路径的 2.5A 单输入单节开关模式锂离子电池充电器