ZHCAES9 November 2024 BQ25173-Q1 , BQ25856-Q1
新興的電動汽車 (EV) 傳動系統(tǒng)正在改變汽車的制造方式，但是電動汽車如何影響動力總成之外其他部件的設(shè)計(jì)？許多 EV 在充電口和微控制器單元 (MCU) 場系統(tǒng)中添加備用電源系統(tǒng)，以便在汽車主電池不可用時(shí)提供應(yīng)急電源。如 圖 1 所示，充電口是充電電纜插入 EV 的端口，在充電口內(nèi)，電機(jī)將充電電纜夾到 EV 上，以驗(yàn)證充電期間的連接是否安全。對于北美充電標(biāo)準(zhǔn) (NACS) 充電口，需要用于電機(jī)的備用電源系統(tǒng)，因?yàn)槌潆娍跒?ASIL-D 級。MCU 場是車輛控制安全氣囊、緊急制動和傳感器等系統(tǒng)的大腦。在汽車電池?cái)嚅_連接的情況下，必須為這些關(guān)鍵系統(tǒng)提供備用電源。雖然 NACS 充電口和 MCU 場具有不同的功能，但是兩者都對駕駛員安全至關(guān)重要，并且由于可快速充電，因此利用超級電容器作為備用電源。為了設(shè)計(jì)這些超級電容器備用系統(tǒng)，工程師面臨以下挑戰(zhàn)：在快速充電的同時(shí)管理功率損耗、精確充電以利用超級電容器的全部容量，以及快速使超級電容器升壓以支持備用功能。
圖 1 EV 充電口根據(jù)應(yīng)用規(guī)格選擇正確的充電器拓?fù)?/h2>
超級電容器必須快速充電，以確保在汽車啟動之后可以及時(shí)提供備用電源，但如何根據(jù)系統(tǒng)要求選擇正確的充電器拓?fù)?？公?1 涉及電壓和充電時(shí)間，有助于為充電口和 MCU 場選擇正確的充電器拓?fù)洹Ｔ?方程式 1 中，I 是充電電流，C 是總電容，dV 是超級電容器電壓，dT 是充電時(shí)間。
通常，與 10V 的充電口相比，MCU 場具有 48V 的更高充電電壓，以提供更長時(shí)間的備用電源和更短的充電時(shí)間（< 60 秒）。因此，與充電口相比，MCU 場應(yīng)用需要更大的充電電流，從而導(dǎo)致更大的功率損耗。為了支持更高的功率耗散，開關(guān)充電控制器是 MCU 場的有效充電器拓?fù)洹ｉ_關(guān)行為有助于減少功率損耗引起的熱量，而控制器拓?fù)鋵㈤_關(guān) FET 放置在充電器外部以提高電源能力。由于功率損耗較小，充電口應(yīng)用可使用線性充電器。由于線性充電器不需要像開關(guān)充電控制器那樣的電感器和 MOSFET，因此線性充電器還有助于減少元件總數(shù)。
有助于更大限度增加超級電容器的電荷
要解決的另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是盡可能使超級電容器充電至滿電荷狀態(tài)。所有充電設(shè)計(jì)都具有充電電壓精度規(guī)格，詳細(xì)說明了實(shí)際充電電壓可以高于或低于目標(biāo)充電電壓的程度。環(huán)境溫度也會影響充電電壓精度。一些 IC 在 25°C 環(huán)境溫度下可以具有 1% 的充電電壓精度，但在更高和更低的環(huán)境溫度下，精度可能降低。充電電壓精度對于充電口和 MCU 場應(yīng)用非常重要。如果實(shí)際充電電壓低于預(yù)期，則超級電容器在備用模式期間可使用更少的電荷。如果充電電壓高于預(yù)期，則超級電容器的充電電壓可能高于額定值，這會導(dǎo)致電容器性能下降。圖 2 突出顯示了超級電容器中的可用能量如何隨充電電壓精度呈指數(shù)增長或下降。具體來看，充電電壓精度范圍為 1% 至 2%，該圖表顯示了充電電壓精度變化 1% 如何使超級電容器的能量過度充電或充電不足加倍。因此，在設(shè)計(jì)超級電容器系統(tǒng)（如充電口和 MCU 場）時(shí)必須考慮充電電壓精度，以在不犧牲壽命的情況下更大限度增加超級電容器中的可用電荷。
圖 2 可用能量差與充電電壓之間的關(guān)系升高超級電容器電壓，在備用模式下為系統(tǒng)供電
超級電容器系統(tǒng)的另一個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是將超級電容器的電壓升高到足以為系統(tǒng)供電的電平。對于充電口，超級電容器總共充電至 10V，而用于解鎖車門的電機(jī)驅(qū)動器通常需要 60W（10V，6A），因此需要升壓轉(zhuǎn)換器來在超級電容器放電時(shí)升高功率。實(shí)現(xiàn)升壓的兩種方法如下面的方框圖所示：同一 IC 上的充電和升壓或者單獨(dú) IC 上的充電和升壓。除了電機(jī)驅(qū)動器元件被 MCU 取代之外，MCU 場的方框圖是相同的。充電器和升壓相結(jié)合的主要好處是減少元件總數(shù)并簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖 3 充電器和升壓獨(dú)立方框圖
圖 4 充電器和升壓組合方框圖BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 超級電容器充電器
BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 是可用于汽車應(yīng)用（如充電口和 MCU 場）的線性、開關(guān)超級電容器充電器。BQ25173-Q1 可以為 1 至 4 個串聯(lián)的超級電容器充電，并具有以下優(yōu)勢：
通過 2μA 輸入靜態(tài)電流和 350nA 靜態(tài)電流，更大限度減少汽車電池和超級電容器的電流消耗
從 -40°C 至 125°C 環(huán)境溫度下，以 +-1% 的充電電壓精度將超級電容器充電至目標(biāo)充電電壓
采用線性充電拓?fù)?，無電磁干擾 (EMI)
利用并聯(lián) BQ25173-Q1，實(shí)現(xiàn) > 1A 的充電電流和更出色的熱性能
BQ25173-Q1 需要與升壓 IC 配對，如充電器 + 升壓獨(dú)立方框圖中所示。BQ25856-Q1 是高功率充電應(yīng)用（如 MCU 場）的理想選擇，具有以下優(yōu)勢：
- 支持高輸入和輸出電壓應(yīng)用，輸入和輸出可耐受高達(dá) 70V 的電壓
- 能夠以正向和反向功率模式對超級電容器進(jìn)行充電和升壓
- 在正向和反向模式下，以高達(dá) 20A 的充電電流快速對超級電容器充電
- 在 -40°C 至 125°C 環(huán)境溫度下，以 +-0.5% 的充電電壓精度幫助將超級電容器充電至目標(biāo)充電電壓
BQ25856-Q1 充電控制器的寬 Vin 范圍支持直接連接到 12V 或 48V 汽車電池，反向升壓模式功能可在提供不間斷系統(tǒng)電源的同時(shí)節(jié)省額外的升壓轉(zhuǎn)換器 IC。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 超級電容器充電器有助于為低功率和高功率超級電容器備用應(yīng)用提供設(shè)計(jì)。
結(jié)語
隨著更多的 EV 系統(tǒng)采用電力驅(qū)動，超級電容器備用電源越來越受歡迎，充電口和 MCU 場就是兩個需要備用電源的示例。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 是兩個可用于汽車級備用應(yīng)用的超級電容器充電器選項(xiàng)。BQ25173-Q1 是用于具有線性拓?fù)涞?EMI 敏感系統(tǒng)的良好選項(xiàng)，需要外部升壓 IC 來使超級電容器放電。BQ25856-Q1 是用于高功率應(yīng)用的開關(guān)充電控制器選項(xiàng)，反向模式功能可對超級電容器進(jìn)行升壓，從而提供不間斷電源來支持系統(tǒng)。BQ25173-Q1 和 BQ25856-Q1 可幫助工程師為電動汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)各種超級電容器備用系統(tǒng)。