汽车新热点: T BOX系统解决方案深度剖析之充放电管理

远程信息处理控制单元TCUT-BOX)是一种嵌入式车载系统,可应用于车辆的无线跟踪与通信等领域。

在本系列的文章中会依次对以下主要模块进行详细介绍:

第一节:电源轨

第二节:充放电管理;

第三节:接口; 

第四节:紧急呼叫单元

第五节:无线连接单元; 

第二节 充放电管理

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。

 

本系列其他文章链接: 

  • 想请问 下 针对 镍氢电池的解决方案 是否会有 车规级的 charger 推荐?

  • 非常有用,期待接口部分

  • 对各种汽车级别电池充放电电路的设计,TI的DC-DC是特别优异的,性价比很好,效率高,充放电ti还可以用其mcu进行控制,才有特殊的算法。

  • 好多领域都可以借鉴     详细TI的技术方案    安全可靠稳定

  • 我觉得关于电池的选择,应该选择那种性能可靠的、可反复使用的,例如超级电容什么的,再配上超低功耗,比电池好,万一电池失效,还没注意到什么提醒,那就糟糕了……

  • Hi Fang Gong,

    BQ24105-Q1 是可以支持镍氢电池的解决方案 ~

    www.ti.com/.../slua843.pdf

  • 针对锂电池的解决方案,TI主推器件为BQ24081-Q1,它是针对空间受限型充电器应用的高度集成且灵活的锂离子线性充电器件 。它们在单片器件中集成了功率 FET 和电流传感器、高精度电流和电压调节、充电状态以及充电终止功能。可通过一个外部电阻设置充电电流幅值。器件分三个阶段对电池进行充电:调节、恒流和恒压。当达到最低电流时将终止充电。内置的充电定时器针对充电终止提供了备用的安全性机制。如果电池电压低于内部阈值,器件将自动重新启动充电。移除交流适配器后,器件将自动进入休眠模式。

  • 充电功能很强大,有实例电路就更好了

  • 很详细的T BOX充放电技术解说,希望后续能够多出几个案例,比如如何应用在汽车中的实例或者跟车企如何合作的案例,这样让我们更易于从实际生活中发现T-box的作用

  • 针对目前主流的三种电池类型, 都有成熟稳定的解决方案提供, 方案也充分考虑了整车电路的需求和电池应用的特点, 很系统很全面,是电路设计选型和优化的极佳参考资料.

  • 谢谢 Amelie, 想请问 是否有 客户采用 BQ24105-Q1 针对镍氢电池 应用 量产的吗?

  • 不错的资料,当前TBOX的销量越来越大,现在我们也接触到越来越多的E-CALL电池的电池,请教一下:E-CALL的一些细节(使用年限要求、功能要求、测试要求)。

  • 个人认为选用技术成熟、应用广泛的锂电池作为备用电池更好,充电管理芯片也不限于BQ24081-Q1这类线性器件,可以选用同步整流开关模式充电管理芯片,在大电流快速充电时能获得更高效率并且低压差工作性能也不差,TI这类充电管理芯片很多,可灵活选择。

  • 第二节 充放电管理  在这节课了TI讲了蓄电池的不同类型并以图表的方式列出其优缺点,很直观。TI针对不同类型的电池根据其特点都有针对的充电IC 让客户有了更多更好的选择,而且参数都列出来了

  • 感觉以后锂电池会成为主流,目前虽然成本略贵但是技术发展后过几年应该会大降价的,3mm × 3mm VSON10的小封装还是很有吸引力的,睡眠模式有助于低功耗场景应用。