随着便携式设备功耗越来越大,设备的待机时间成为了产品的关键性能指标之一,以下几个因素影响便携式设备的电池、电源系统设计:
1. 国际航空运输协会要求,设备所需的备用锂电池(含充电宝); 其作为随身或手提行李携带时,锂电池额定能量限制如下: 锂电池额定能量应不超过100Wh。使用超过100Wh锂电池的便携式设备在日常工作、差旅中非常不便;
2. 中国《危险货物运输规则》及国际相关标准,当锂电池的单个能量超过100Wh或质量超过1kg,以及装置总能量超过300Wh时,必须办理危包证,同时需要定制专用的危包箱包装运输,运输前需要预约海关工作人员上门检查包装是否合规。意味着使用单个超过100Wh的锂电池在出口和运输上将受极大限制,大大提高人力和物流、时间成本。
3. 由于便携式设备结构设计限制,不能简单地通过不断增加单节锂电池容量来增加续航时间,需要把两个单电池分布在主机两个位置;
4. 便携式设备所需电源功率较大,单一电池无法支持系统功率,需要双电池同时并联供电。
5. 便携式设备使用电池作为唯一供电来源,但是需要实现不间断工作,双电池及以上系统可以支持拔出任一一个电池而系统不断电,通过热插拔更换电池实现系统不断电不间断工作。
6. 医疗设备或者其他严肃的应用领域,要求单一电池失效后保证系统正常工作,因此需要双电池及以上备份,增加系统供电可靠性。
综上各种因素,双电池供电的需求并不罕见,如果便携式设备供电需求大于100Wh,在电池技术没有得到突破之前,选择2个及以上100Wh以内的标准电池组成多电池系统成为了最优的解决方案。
另外,标准电池均已通过UN38.3/MSDS认证测试,可以满足便携式设备快速合法出口销售,缩短设备上市时间。配套我司双仓电池充电器,可以帮助客户在多电池应用中更加便利。
由于锂电池在成组后电压、内阻有差异,日常使用工况的差异也会导致电池一致性进一步恶化,同一个型号的锂电池组不能直接并联使用,否则高电压电池会向低电压电池灌电流,导致安全风险。因此,必须设计合理的多电池管理电路,保证电源系统安全可靠工作。
本文介绍了双电池或多电池供电的电源架构,给出参考设计框图和方案推荐,支持电池热插拔,系统不间断供电。
方案一:集成式双电池方案
针对双电池的应用市场需求,知名模拟器件半导体制造商ADI已经有成熟的集成电路可供直接选型。
LTC1760是非常全面的单芯片双智能电池系统的代表,简单易用,仅需要确定4个参数就能完成一个完整的设计,而且不需要软件代码。该器件仅需最低限度的研发工作,就可组成一个完整的双电池充放电系统并正常工作。
详见:https://www.analog.com/cn/products/ltc1760.html#part-details
方案二:分立式双电池或多电池系统
针对3电池及以上的电源供电系统,目前市面上无现场的集成方案可供直接选型,需要采用现有技术设计,实现主电池电源通路与备电池电源通路互为备用的双、多电源供电结构。
主要包括:
充电管理单元:实现对锂电池组的恒流、恒压充电管理,系统供电路径管理。
参考选型:TI公司的BQ24610。
防反灌控制单元:实现电池放电单向导通性,避免多电池之间反灌电流,采用理想二极管(ORING控制器)实现。
参考选型:TI公司的LM74700-Q1。
DC/DC恒压输出单元(可选):如主机系统要求固定电压供电,可以在该系统基础上增加DC/DC模块。如果主机可以接受宽压输入则无需该单元。
参考选型:TI公司的LM5176PWPX。
注意事项
l 输入电源功率必须≥双电池的最大充电功率+设备的最大工作功率,并且考虑DC/DC损耗,输入电源功率应该是两者和的1.2倍。
l 当只有一个电池时,它可能无法支持最大放电功率。
l 电池电压输出不是恒定值,当输入电源上电时,VSYS(system power)等于输入电压;当适配器断电时,VSYS电压将等于电池电压。如果主机需要恒压供电,需要在VSYS后面增加DC/DC转换电路。
l 使用方案二,主机无法主动控制两节电池的放电顺序,充电时同时充电,放电时高压电池将先放电,两个电池可能同时放空,导致系统断电。
l 使用方案二,智能电池的通信地址相同,主机需要两个或多个SMBUS/I2C接口与电池通信。
注:以上是我司技术人员有限的技术经验总结,旨在提供多电池的应用建议,不代表承诺或负责。多电池电源管理系统要求设备制造厂商具备一定电源硬件开发能力,根据主机自身实际情况设计,我司仅能提供有限的技术咨询,无法提供具体原理图、调试等服务。