汽车新热点: T BOX系统解决方案深度剖析之充放电管理

发布时间:2018/8/29

正常情况下,VBAT为负载供电的同时也会为备用电池充电;当遇到突发状况时(如撞车),VBAT无法正常供电,此时转换成备用电池为负载供电。如下图蓝色阴影框图所示,备用电池的充放电管理主要分成三个部分:电池组、充电器以及预升压。

图-1

1. 电池组

常用的蓄电池有Ni-MH,LiFePO4以及Li-Lon,其特点列举如下表所示。

类型

Ni-MH

LiFePO4

Li-Lon

 

 

优点

可靠耐用;

过量的充电不会产生高温;

成本较低;

 

高额定电流;

寿命长;

热稳定性高;

安全;

高能量密度;

高电压(3.6V);

寿命长;

 

 

缺点

快速自放电,导致要频繁充电;

低电压(1.2V),导致体积大;

低电压(3.2V);

高自放电,导致平衡问题与老化;

 

易碎,运输需要保护电路;

充电时需要限制峰值电流;

温度需要监控;

昂贵;

表-1

在汽车的领域中通常使用Ni-MH以及Li-ion。Ni-MH相对安全可靠,即使过量充电也不会产生高温。而Li-ion可以在更小的体积内实现更高的能量密度,且价格更低。世界领先的汽车制造商已经将锂离子电池应用于E-Call 。

 

2.    充电器

1) 针对锂电池的解决方案

锂电池充电的过程可分为三步:当电压小于3V时,先进行预充电,电流为0.1C;当电压上升到3V到4.2V时,采用恒流充电,电流为0.2-1.0C;当电压大于4.2V时,采用恒压供电,此时电流随电压的增加而减少,直到电量完全充满。TI主推器件为BQ24081-Q1,优势如下:

  • 高度集成的线性充电器件,集成了功率 FET 和电流传感器,可提供高精度电流和电压调节以及读取充电状态;

  • 可通过设置外部电阻调节充电电流;

  • 可实现电池容量、循环周期以及安全性的最大化;

  • 非常适合低压差的充电应用;

  • 可提供睡眠模式降低功耗;

  • 封装小,3mm × 3mm VSON10。

2) 针对镍氢电池的解决方案

镍氢电池充电过程也可分为三步:先快速充电(Fast Charging)恢复大部分容量;然后采用定时充电(Optional Top-off charge)恢复全部的容量完成充电;最后通过提供连续的脉冲涓流(Pulse-Trickle Charge)维护充电,从而补偿电池的自放电。充电过程中的终点控制非常重要,可采用检测电压降(- )、检测电压峰值、检测最高温度等终止充电。TI有专门针对镍氢电池的充电管理方案,如BQ2002。然而这种方式成本较高。

当成本受限时,也可采用LDO直接为镍氢电池充电。因为LDO有输出最大电流的限制,这样就不会导致电流超标。TI主推器件为TPS79801-Q1,优势如下:

  • 宽输入电压范围:3V到50V;

  • 不需要输入保护二极管;

  • 输出电流达50mA;

  • 低压差,典型值为300mV。

3) 针对磷酸铁锂电池的解决方案

磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂(LiFePO4)材料作电池正极的锂离子电池,它是锂离子电池家族的新成员。由于它的性能特别适合作动力方面的应用,又被称之为磷酸铁锂动力电池。

它的充电算法与Li-Lon电池不同:首先电池快速充电到过充电电压,然后慢慢下降到较低的浮动充电电压阈值。该充电器集成了传感器,能在电流电压调节的回路中达到较高的精度。内部控制回路还会通过充电周期监测芯片结温。如果超过内部温度阈值,则会降低充电电流。推荐的芯片为BQ25071-Q1

3.  升压电路 

由于从电池组输出的电压较低(如Li-ion为4.2V),通常需要预升压芯片将电压升到5V为后续二级电源供电。TI推荐的TPS61085-Q1是一款具有强制 PWM 模式的汽车类 18.5V、2A、650kHz/1.2MHz的升压转换器。

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