面向电动工具和电动自行车的TI设计方案(四)

那刚才讲了这个温度的设定的话 我们再看一下这个断线检测功能 断线检测功能的话实际上是这样 怎么样才能知道某一个电芯的 跟它连接的这个线呢是脱开了是断掉了 事实上你可以看到这个电路里 我们每一个部分都有一个输入的电容 就是滤波电容 通常的话我们其实是有一个 很小的这个拉低电流的 这个电流一直从每个管脚 每个电芯连接的管脚一直拉到地 那拉地的话我们有一些选项 就是 100nA 200nA 或 400nA 或者是不带拉低电流的 也就是不带断线检测的 这个这是可以选的 一般的话如果我们这个电流比较大 比如说设到 400nA 的情况下的话 这个它的电路的响应会快一些 对检测的这个会更快一些 但是可能会一般的话这种 400nA 的 这个应用的话一般是面对一个 电芯的容量稍微大一些的情况下去进行的 所以你可能你可能会问到 如果我每一个管脚都会带拉低电流的话 实际上是缓慢地放电嘛对吧 会不会有一个问题 就是说它会进入一个不均衡的状态 实际上我们都针对这个进行了考虑 实际上如果你按照 100nA 的 这个设定去算的话 就是每一个管脚有 100nA 的电流 实际上我们就算每一年 连续不断地进行这样拉低电流的话 一年只有 3.5 毫安小时 那对于一个 1AH 电池来说 一年只有 0.35% 的这么一个电池的不均衡 所以就是十年的话也就 3.5% 基本上是可以忽略的 这边的话稍微介绍一下 就是因为我这个我们这个应用里面 会见到比较高的电压或者是比较大的负电压 这个都有可能出现的 所以主要是考虑一下这个充电 MOSFET 它的一个控制管脚 首先左边的办法讲的就是说 如何对脉冲的或者是正电压的话进行保护 简单的讲就是加了一些方向控制 用二极管加了方向控制 然后呢加了一些电阻 实际上就是说当你的 Pack 负端 也就是电池的负端的话 如果有一个比较高的这个瞬间在脉冲电压的话 它可以通过一个电阻进行限流保护 另外一个的话呢就是说 如果是低压负压的情况下的话 我们又加了额外的电阻 这个蓝色框里面圈出来的这部分的话呢 实际上是加了一个 MOS 管 所以如果这个 Pack 的负端 有非常低的电压的时候 实际上它是会被 Charge 管脚进行开路的 所以这个部分呢也是加了一个保护 同样的话在 LD pin 的话 是加了一个二极管的一个保护 我们先稍微谈一下 就是如何把这几个芯片摞起来 它之所以能够摞起来的话 是因为他有额外的这个模拟控制管脚 来实现这个他们这个控制的 实际上简单的讲 如果你有两颗芯片 像这样摞起来的话 你上管和下管上个芯片和下面芯片 它做的事情是不一样的 下面这个芯片可能是主要是电流是 一定要有下面芯片来监控了 因为电阻在下面采样电阻在下面 然后一般的话像我们这种典型应用的话 这个 N-MOS 管是在下面的 所以下面的电流主要是做这两件事情 同时它也监控下几路的这个电芯的电压 另外的话上面这颗的话 主要是监控上面的电压以及这个温度检测的 所以如果我出现了一个问题 就是说上面发现比如说上面的这个电池组 它的这个电芯出现了一些问题的话 我需要进行保护的话 可能是这样的一个激励 就是它需要通过有两个管脚 就是 control 的这个管脚叫 CTR 这个管脚 然后啊就是 CHGU 和 DSG 的话 由它连到下面那颗芯片的 control 管脚也就是 CTR 管脚 这样的话呢 它可以通过上面的这个状态的话 实际上来操控下面那个 MOSFET 我的理解是说它这个实际上是一个或的关系 就是说你只要不论是上管和下管 你出现了一个问题的话 它一定会产生一个驱动让这个 MOS 开路的 就是他上面这些堆叠的芯片 它是可以把自身的一些保护状态 或者是它的这个当前的一些出现的故障 通过这两个 pin 去传递到我们最底下这边 因为它是来控制 最下面的这个正负极的 MOS 的 然后右边这张最右边的话是有一个小图表 这个图表大家在数据手册里也能看到了 这个图表的话大家需要一些时间去理解一下 简单这样 如果我们只有一个管子的话 可能就不需要最上面那个灰色区域了 我们其实分三段灰色区域的 就是基本上就是说这个纵轴指的是 control 就是 CTR 管脚 有两个 CTR 管脚 它的电压然后呢它的灰色区域的数字 那个描述呢代表这个 MOSFET 的状态 简单的讲就说 如果我的这个 control 的电压是偏低的 说的是我们本颗芯片的 control 电压 是偏低的情况下比如说 0.7 伏以下的话 那这个 MOS 管是允许是导通的 所以如果我也就是说我这两个 control 管脚 要拉高它的话我的 MOS 是要关断的要开路的 那问题就来了 为什么我们还我们上面还有一个区域 最上面的那颗阴影区域的话 实际上是为了上面叠加的上一颗就是 这个 77904 或 905 来准备的 也就是说如果上面那颗芯片 要想决定下一颗的这个状态的话呢 它可以 Enable 就是使能 或者是关断这个下面的 MOSFET 所以这个部分的话在数据手册里 大家可以稍微详细的看一下 好了我们从这个 因为有的客户会考虑说 你既然两颗罗列在一起 堆叠在一起的话 那可能我们看到的电流就上下串 电池组看到的电流会是不一样的 他们会是否导致电池组之间的均衡问题 我们可以稍微正面的回答这个问题 就是说基本上不存在这样一个风险 简单的讲就是由于每颗芯片的超低功耗 已经是超低功耗 6uA 每颗 而且它的分布范围是非常小的 所以就是说假设你看我们是 从 6.5 到 5.7uA的 这么一个分布范围 所以它们之间的差异的话 就是如果是组和组之间有这样一个差异 我们按照 24 小时 365 天去计算的话 一年的话只有七个毫安小时的一个差别 是非常微不足道的 刚才已经说到我们可以连到 20 对吧 TI 推荐的一个连接数是二十串电芯 但是实际上我们有一个应用手册 就是大家可以看一下 这个链接里面 SLUA774 它描述的是说 实际上应该说在应用上面的话 如果你的应用稍微 你要仔细去理解 这个我们之所以连接它的限制到底在哪里的话 主要就是传导这个 delay 限制 就 propogation delay 基本上就是七个毫秒有一个限制 你考虑到你的这个触发的保护 通常是几秒钟的情况下 七个毫秒算是一个比较小的一个 但是如果你连的芯片个数比较多的情况下的话 这个七个毫秒它就会叠加起来 我们实测的话呢 20 个电芯 是基本上是 TI 推荐的 但并不是说在在很多特殊的应用情况下 不能够做到 20 串以上 是给大家强调一下 大家可以具体参与一下 我们下面那个链接给出来的那个应用手册 很快的过一下就是并联这个 MOS 管 因为有时候需要很大的电流通路 并联 MOS 管基本上我们需要遵守 并联 MOS 管所需要的一般的这个思路 就是说你要这个布线的话要并行一些 然后啊这个 gate drive 因为我们有比较强的这个驱动电路 所以还是可以在这方面发挥的力度大一些 在我这个小节的最后一部分的话 就是给大家很快地展示一下 就是如果是纯硬件 你需要一个电量计的这么一个芯片的话 实际上所谓我们会加一个电量计 意思就是说你像一个螺栓一样你拧上去而已 也就是说它可以没有任何关系了 你只是把它拧上去 所以这个电量计 其实他就去监控那个采样那个 MOS 管 采样那个检测电阻来进行库伦积分的 那同时它也可以监控一下这个电芯的电压 这边我看到有一些观众问 说是关心我们电量计的一些计算原理 这个我们可以去简单介绍一下吗 这个部分的话应该是在 高串数锂电池电量计的介绍原理 高串数锂电池电量计的介绍原理 本来是你的部分不过我们可以稍微介绍一下 我们是有 TI 主要的算法是 阻抗跟踪和这个 CEDV 的 CEDV 例如这颗的话呢就是叫 34110 就是 compensate 就是补偿末端放电法 也就是说我那条曲线的放电末端 它的电压变化范围比较迅速 所以我要去对它进行一些建模 其他的部分是用库伦积分的方式去做的 这叫 CDV 方式 那还有一个叫带 Z 的那个 34Z100 的话 它是阻抗跟踪的稍微高端一些 它会监控电池整个阻抗 也就是 lifecycle 也就是电池老化这个过程的这个电阻 说实话这个电量计的部分的话 还需要一个专门的在线直播去彻底讲一下 今天的话在算法上面会涉及的稍微小一点 下面我就交给这个王成介绍一下 我们的主机控制保护方案 那感谢王博士的一些介绍 下面我也是会很快的去介绍一下 我们主机控制方面 因为这个相对于我们之前介绍的 这个纯硬件的保护方式会有一些区别 就在于说它是带一些 MCU 去做一个 BMS 的一个管理 它管理的话会更加的定制化 会更加的去可以去适配你的系统 甚至说是啊能够说做到更优化的一个设计 那可以看见重温一下我们的系统架构 刚刚介绍的是那个用我们的一个 独立保护芯片去做的这样子的一个一次保护的 一个 BMS 系统的 但是在我们的另外一种设计中 在一些像电动自行车高端电动自行车 在一些这种 LEV 或者说是甚至我们能看到的 一些大型的这个园林工具里面 它的这个电池堆叠数会非常的多 可能会达到 7 串甚至 14 串到 20 串 这样子的一个范围 在这种大电芯大电池组的这样子的一个 管理的过程中它是需要做一些更加复杂的 这样子的一个操作 那不单单是我们 905 做的一些保护 它可能会加一些额外的一些功能 就比如说一些被动均衡它的一些 电量的一个计算 甚至说是需要去做一个寿命的预估 做一些更复杂的这个系统级的一些判断这上面 所以说在这样子一个架构中 它会分为两部分 一部分就是说会需要一个前端的一个采集芯片 我们称之为 AFE 模拟前端 它是用来去负责采集电池的一个基本信息 那这个信息就包括说电压电流和它的温度 这三个基本信息当他能够去采集到之后 MCU 就可以根据这些信息去做一个 更加复杂的一个算法了 比如说是计算啊或者计量这样子的一些功能 另外一个前端芯片它也会集成 一个均衡的一些功能 需要去做一些被动均衡这样子的 一些需求的时候 就可以很容易的去用前端芯片去实现 除此以外这个前端芯片另外一个最主要的功能 就是去切断回路了去做一个保护的动作 这个简单介绍一下这边的一个系统架构 那这边可以看到刚刚还是提到了一个 高边驱动的问题 这边高边驱动它对于这个 MCU 控制的 一个系统来说是更加的重要 因为当这个如果 MOSFET 你放在低边的话 它切断了回路之后 它的这个地线是断开的 就 MCU 和外界它的地线是无法通讯的 没有没有共同的一个地 甚至可能说是需要额外的一个保护 或者是隔离来去保护 MCU 的对外的端口 但是如果说是这个电池的这个保护 放在这个正端的话 切断之后 它的地平面是相同的 对 MCU 来说 它的直接可能通讯线可以引到外面去 就不需要任何的一个额外的 一个耐压的保护或者是隔离的保护 这是高边一个额外的一个优势 那下面的话会去讲一下我们在大电池组 或者是一些高串的电池组上面 一些主动控制带 MCU 这样子的 一个结构的一些优势 主要的就是可以分为三点 第一个就是它对温度电压电流的采集 可以去更好的去保证我的系统的 一个长时间的一个工作 延长你的系统的使用时间 能够去做精确的估算我当前的电池容量 根据温度去调节电池容量的预估 那知道说电池现在是处于低温高温 还是常温的一个状态 可以去说也可以去适当的去调整 它的一个充电 做一个智能化的充电 另外一个就是在这个 前端芯片如果是带这种快速的采集 和高精度采集的话甚至说 他内部可能会带一些硬件的比较器 那可以去做一些快速的安全的一个响应 就比如说短路 这需要很快速的一个响应的时候 那就需要内部的一些高精密的比较器 来去做这样的一个动作 除此以外就是这个均衡这个功能 相对于这种高串的这种级联电池组 它的这个电池之间的分布差异 甚至说当你一个组成一个大的电池包 它不同的电芯在处于不同的位置 它可能工作的温度是不一样的 如果说整个电池组 它热的这个设计的不是很均匀的话 可能会导致说个别电芯比其他电芯 工作温度偏差可能 5 到 10 度 那这样的话老化的这个过程就会不一样 那这样呢会导致有些电池容量衰减比较快 那就需要去做一些被动均衡的保护 那下面这个会去做一些更详细的分析