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TI 通用电量计选型方案

电子设计 来源:电子设计 作者:电子设计 2022-06-30 17:01 次阅读

锂电池具有很高的能量密度,因此在便携式设备与储能设备中得到了广泛应用。为了在安全的条件下尽可能充分利用锂电池储电能力,尤其是在部分应用中,比如笔记本电脑手机,电动自行车等,由于涉及到数据丢失或安全隐患,系统往往需要较准确地了解锂电池的电量数据。但由于锂电池放电特性的非线性,会受到温度、放电电流大小、电池的老化程度等影响,要准确预测锂电池的剩余电量,具有较高的难度。

最早期的方法是通过电压推测剩余电量,误差非常大,可能高达20~40%; 然后业界推出了库伦积分的方法,误差还是比较大,可能高达10~20%;相对精确一些的方法是在库伦积分的基础上发展起来的CEDV或查表校正法,电量预测精度得到很大改善,较好的情况下,可以达到5%以内;TI在吸取这些方法的优点的基础上,根据锂电池的特性,推出了专利技术--阻抗跟踪算法,结合了电压校正与电流积分的优点,通过建立锂电池的放电特性曲线、温度模型等,实时监测电池的阻抗变化,从而可以较准确地预测放电截止点,实现了1~2%的电量检测精度,是目前最精确的电量计算算法。

TI针对不同的应用场景,推出了一系列的电量计产品,广泛应用于各领域知名品牌客户,得到了大家的认可。为了便于大家选择适合自己应用的方案,我先对 TI的电量计做一个基本的分类:

电池的节数:1串电池的应用领域比较广,比如手机、智能手表、POS、平板电脑等,对精度、电路面积等的差异比较大,因此,1串电池的电量计方案就比较多。很多1串电池体积比较小,因此通常对封装尺寸有一定要求。因为只有1串,所以也不存在电池不均衡的情况,不需要均衡功能。2串以上的电池,通常就需要考虑均衡功能了。2~4串电量计在笔记本电脑等领域使用量较大,所以一般采用集成保护功能的方式,以降低整体成本。4串以上的电池因为电池电压差异比较大,比较难为不同应用单独开发专用的芯片,可以采用分压后监控电池总电压的方式,比如BQ34Z100,或采用与模拟前端芯片配合的方方式,比如BQ78350。

电池的种类:TI的电量计主要针对锂电池的应用,特别是阻抗跟踪算法,但CEDV算法是基于库仑计的,也可以用于镍氢电池、铅酸电池。磷酸铁锂电池的放电平台非常平坦,电压检测的较小误差就可能会造成电量计算较大的误差,因此阻抗跟踪算法的精度会受到一定的影响,TI部分电量计针对磷酸铁锂电池的应用做了优化设计。

电量计放在什么位置:通常,电量计放在电池包里可以实现更高的精度,并且可以实现数据加密与电池身份的识别,避免仿冒伪劣电池引起的潜在危险。1串电池电量计也可以放在系统主板上,但由于引入了MOS、连线阻抗的影响,以及不便于校准,电量精度会受到影响,尤其是在更换电芯后,系统端的电量计中的参数设置可能会与实际使用的电芯不匹配,从而带来较大误差;另一方面,系统板厂通常不具备电量计的校准、测试经验和设备,从而带来潜在的风险。2~4串的电池,如果把电量计放在系统端,因为不便于引线,通常不便于监测每节电芯的电压,电量计自带的均衡功能也可能无法发挥作用,而且必须要在电池包里额外加保护电路,所以通常建议把2~4串的电量计放在电池包里。对于4串以上的电量计,通常无法独立监测每节电芯的电压,需要与模拟前端芯片配合或仅监控电池的平均电压,均衡和保护功能由模拟前端芯片或保护芯片完成,电量计的位置取决于系统的架构。

电量计电路的尺寸要求:对于用于智能手表等应用,容量较小的电池,由于电池的体积较小,因此对电量计电路的面积有较高要求,可以采用小型封装(比如BGA)的电量计,进一步的话,可以采用集成保护功能、集成电流检测电阻的电量计芯片(比如BQ27Z746)的 方式减少外部电路元件来实现减小电路面积的目的。

电量计的通讯接口:采用电量计的应用,通常系统都需要读取电池的电量、电压、温度等信息,因此电量计需要与系统通讯,对于2串及以上的电量计,最常用的通讯接口是SMBus(通常也能与I2C接口的MCU通讯兼容);1~2串电池的电量计,则常采用I2C与单线通讯接口HDQ。

电量计的成本要求:通常精度要求高,电量计的成本就会略高一些。对于部分精度要求不太高的应用,TI也为他们提供了简单易用的成本优化的方案,并得到广泛使用,比如BQ27220。

我把TI常用的电量计产品做了汇总,标注了每个方案的主要特点和应用范围,典型应用,以便于大家选用优化的方案,请参考如下表格:

电池节数 电量计位置 电量算法 精度 电路面积 推荐方案 特点 典型应用 芯片封装 网址
1 电池包 CEDV BQ27220 低成本,配置简单 平板电脑,POS,移动电源 BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27220
1 电池包 阻抗跟踪 BQ27542 应用广泛,适应多种类锂电池 手机,平板电脑 SON https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27542-G1
1 电池包 阻抗跟踪 较高 BQ27411 配置简单,只适用于钴酸锂电池 平板电脑 SON https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27411-G1
1 电池包 阻抗跟踪 BQ27546 当前TI 官网备货充足 手机,平板电脑,POS BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27546-G1
1 电池包 阻抗跟踪 BQ27Z561 支持1mohm电流采样电阻 手机,智能手表, 数码相机 BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27Z561-R1
1 电池包 阻抗跟踪 很小 BQ27742 集成保护功能 蓝牙音箱,平板电脑 BGA https://www.ti.com/product/BQ27742-G1
1 电池包 阻抗跟踪 很小 BQ27Z746 集成保护功能,支持1mohm 智能手表,数码相机,蓝牙音箱 BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27Z746
1 系统端 CEDV 较低 BQ27220 低成本,配置简单 平板电脑,POS,移动电源 BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27220
1 系统端 阻抗跟踪 很小 BQ27426 集成电流检测电阻 数码相机,MP3,POS BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27426
1 系统端 阻抗跟踪 很小 BQ27421 集成电流检测电阻 数码相机,MP3,POS BGA https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ27421-G1
1 系统端 阻抗跟踪 很小 BQ27425 集成电流检测电阻 数码相机,MP3,POS BGA https://www.ti.com/product/BQ27425-G1
1~2 电池包 阻抗跟踪 BQ28Z610 应用广泛,适应多种类锂电池 平板电脑,蓝牙音箱 SON https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ28Z610
2~4 电池包 CEDV BQ4050 低成本,应用广泛 笔记本,便携储能 SON https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ4050
2~4 电池包 阻抗跟踪 BQ40Z50 高精度,应用广泛 笔记本,医疗设备 SON https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ40Z50-R1
2~6 电池包 阻抗跟踪 BQ40Z80 支持5~6串锂电池 医疗设备,电动吸尘器 SON https://www.ti.com/product/BQ40Z80
3~15 电池包 CEDV BQ78350 与BQ76920/30/40配合使用,支持磷酸铁锂电池 E-BIKE, 滑板车,储能,机器人 TSSOP https://www.ti.com/product/BQ78350-R1A
2~16 电池包 阻抗跟踪 BQ34Z100 支持磷酸铁锂电池 E-BIKE, 滑板车,便携储能,医疗设备 TSSOP https://www.ti.com.cn/product/cn/BQ34Z100-G1

(绿色标亮的物料目前TI官网上有现货供应)

审核编辑 黄昊宇

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