電池管理應(yīng)用中精確測量和溫度穩(wěn)定的重要性

電池管理應(yīng)用中精確測量和溫度穩(wěn)定的重要性

鋰離子電池由于擁有能量密度高、電壓高、自放電率低，以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，因而逐漸成為使用充電電池的便攜應(yīng)用產(chǎn)品的常用技術(shù)。

電池管理的常見難題
在選擇鋰離子電池時，必須對之予以正確管理，以實現(xiàn)安全工作，并獲得每循環(huán)周期最高容量和最長壽命，而通常采用的方法就是加入電池管理單元(BMU)。要實現(xiàn)安全工作，BMU就必須能夠確保電池單元在電壓、溫度和電流方面經(jīng)常處于其生產(chǎn)規(guī)格之內(nèi)。這意味著在設(shè)計電池管理系統(tǒng)時，必須能夠考慮到最壞條件。以充電端電壓為例，標(biāo)準(zhǔn)筆記本電池的建議單元電壓為4.25V以下。為保持單元電壓不超過上限，一般都會建議先取得BMU中的電壓測量標(biāo)準(zhǔn)偏差，并用充電端電壓減去4倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。例如，若BMU測得該電壓為4.25V，而標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.5mV，則立即指示在4.2V處停止充電。然而，這就與獲得電池單元最大容量的目的直接沖突。因為充電電壓越高，容量也就越大。同樣，當(dāng)電池超出推薦的充電截止電壓(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時，電池的磨損最大，所以要延長電池壽命，就需要盡量避免過高的充電電壓和過低的放電電壓。

精確測量的重要性
精確的電壓測量精度能夠定義電池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。測量越精確，保持在推薦限值之內(nèi)所需的安全裕度越小。于是，電壓測量越精確，充電和放電就越能夠接近推薦的EOCV 和 EODV值，而無須犧牲安全性，也不需冒著電池容量過早衰減的風(fēng)險。所以，電荷流的測量精度對保證電荷計算精度來說也是十分關(guān)鍵的。

必須考慮到溫度偏移
在固定溫度下獲得良好的測量精度并不困難，若在裝配電池組時已對BMU進行了校準(zhǔn)便更容易。但實際情況中，電池組通常都會經(jīng)受各種溫度變化，所以溫度漂移是區(qū)分真正高性能BMU和普通BMU的關(guān)鍵參數(shù)。
在溫度變化時實現(xiàn)高電壓測量精度的關(guān)鍵參數(shù)是ADC增益漂移 (gain drift)和基準(zhǔn)電壓漂移(voltage reference drift)。對于4200 mV的電壓，電壓測量值偏移量一般小于3μV，在實際設(shè)計中，這是可忽略不計的。
要精確測量電荷流(charge flow)，還要考慮到眾多其他參數(shù)，以盡可能地減小感測電阻上的電壓降。校準(zhǔn)后的ADC偏移量、ADC零點漂移、ADC增益漂移、基準(zhǔn)電壓漂移和時基漂移，都對精度有著重大影響。對于小電流來說，與偏移量有關(guān)的參數(shù)最重要；而在電流較大的情況下，增益誤差、基準(zhǔn)電壓和時基則開始成為主要影響因素。

溫度偏移可以通過對若干個溫度點進行校準(zhǔn)來做出一定程度上補償，不過這種方案成本高昂，通常不為大多數(shù)電池組生產(chǎn)商采納。因此，一個好的BMU必須具有最小的溫度偏移，而且電池組設(shè)計人員必須考慮到BMU的最壞變化情況，以確保設(shè)計的安全性。

電流測量：電量計精度的基礎(chǔ)
要實現(xiàn)良好的鋰離子電池電量計，最有效方法是精確跟蹤電池內(nèi)外的電荷流。在一定程度上，可利用適當(dāng)?shù)碾妷簻y量來補償因開路電壓(OCV)和充電狀態(tài)(SoC)之間因恒定關(guān)系引起的電荷流誤差。一些最先進的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性，這使得利用OCV測量來校正電流測量誤差更加困難。而只要電壓測量有一點小小誤差，就可能導(dǎo)致SoC計算的重大偏差。所以，只有確保出色的電流測量和精確的時基才能獲得最佳精度。

圖1采用標(biāo)準(zhǔn)偏移校準(zhǔn)方法進行校準(zhǔn)之后的典型偏移量

如上所述，在小電流的情況下，造成電流測量誤差的最大原因是電流測量ADC中的偏移量，而目前已經(jīng)有好幾種技術(shù)可減小這種偏移量。其中，最常用的技術(shù)是在受控環(huán)境中對偏移量進行測量，然后在每一次的測量值中都減去該偏移量。但這種方法有一個弱點，就是沒有考慮到偏移量的漂移。圖1顯示了把該技術(shù)用于一定數(shù)量的部件之后的殘余偏移量。愛特梅爾的電池管理單元采用的是一種更好的方法，而ATmega16HVA所 通過周期性改變電流測量的極性來抵償偏移量就是一例。雖然利用這方法仍會殘余極小但恒定的偏移量，不過，這個很小的殘余偏移量只需在保護FET開路之前進行測量，并通過電池組提供一個已知電流，就可以除去。如圖2所示，利用這種方法可以顯著減小偏移量，而愛特梅爾BMU中偏移量漂移引起的殘余誤差更低于量子化級。消除偏移量的好處在于能夠精確測量很小的電流，而對于偏移量大的器件，就得在某一點上停止電流測量，轉(zhuǎn)而開始預(yù)測電流。有些BMU采用5mΩ的感測電阻，提供高達100mA的鎖定零區(qū)或死區(qū)。以筆記本電腦為例，這可是很可觀的電流量，足以保持某個工作模式非常長的時間了。

圖2 使用愛特梅爾的偏移消除技術(shù)之后的殘余偏移量

精確測量小電流
對于給定大小的感測電阻，電流測量ADC的偏移誤差每每限制了其能夠測量的最小電流級，致使在低感測電阻值和所需死區(qū)(這里因為電流級太低，無法集聚電荷流)之間必須進行大幅折中。最近，大多數(shù)設(shè)備制造商都在尋找降低耗電量，并盡可能保持低功耗模式的方法，使確保小電流獲得精確測量的技術(shù)變得愈發(fā)重要。
　　
電流測量的度偏移
要精確測量μV數(shù)量級電壓本身就頗具挑戰(zhàn)性，而在芯片經(jīng)受溫度變化時實現(xiàn)精確測量更是困難，因為即使是一部主要在室內(nèi)工作的筆記本電腦，還是會經(jīng)歷溫度變化。例如，在電池均衡管理期間，BMU內(nèi)部的一個FET以最大功率消耗電池的能量，致使芯片溫度大幅上升。與偏移有關(guān)的許多參數(shù)都有較大的溫度偏移，如果不消除這些效應(yīng)，將影響到測量精度。愛特梅爾的偏移校準(zhǔn)方法已獲證明在考慮到溫度效應(yīng)時也非常有效。如圖2所示，溫度效應(yīng)被完全消除，從而確保偏移不再對測量精度造成影響。
　　
帶隙基準(zhǔn)電壓的特性及其對電壓測量的影響
帶隙基準(zhǔn)電壓是獲得高精度結(jié)果的關(guān)鍵因素。來自固件預(yù)期值的實際基準(zhǔn)電壓值偏差會轉(zhuǎn)化為測量結(jié)果的增益誤差，而在大多數(shù)情況下，這是電池電壓測量和大電流測量中最主要的誤差源。
標(biāo)準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)電壓是由一個與絕對溫度成正比(PTAT)的電流和一個與絕對溫度成互補關(guān)系(CTAT)的電流兩部分相加組成，可提供不受溫度變化影響而且相對穩(wěn)定的電流。這個電流流經(jīng)電阻，形成不受溫度變化影響而且相對恒定的電壓。不過，由于CTAT的形狀是曲線，而PTAT是線性的，所以得到的電壓-溫度關(guān)系圖形也是曲線。

圖3 無曲率補償?shù)膸督Y(jié)果

帶隙基準(zhǔn)源中的電流級存在一定的生產(chǎn)差異(production variation)，使得25℃時的基準(zhǔn)額定值、曲率形狀和曲線最平坦部分的位置都會發(fā)生各種變化，因此需要進行工廠校準(zhǔn)，以盡量減小這種變化的影響，圖3所示為一個未校準(zhǔn)基準(zhǔn)源帶來的變化實例。在-20～+85℃的溫度范圍內(nèi)，最高差異為-0.9～0.20%。而圖3則顯示有兩個離群點的曲線跟大多數(shù)其他器件的曲線有相當(dāng)大的差異。

圖4 帶曲率補償?shù)膸?/P>

BM器件中常用的標(biāo)準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)源針對額定變化被校準(zhǔn)，在25℃時的精度極高。然而，曲率形狀和位置變化的補償也相當(dāng)常見，這就產(chǎn)生與溫度變化有關(guān)的大幅變化，使得在高和低溫時電池電壓測量不夠精確。此外，也不可能檢測和顯示出曲線形狀顯著不同的離群點。

新穎的基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)方法
為了在各種溫度變化下獲得更好的性能，愛特梅爾增加了一個額外的基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)機制，用以調(diào)節(jié)帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。這個校準(zhǔn)步驟將調(diào)節(jié)曲率的形狀和位置，并顯著改善隨溫度變化的穩(wěn)定性，如圖4所示，在-20～+85℃溫度范圍內(nèi)的最大變化是0.5%。注意第二個校準(zhǔn)步驟可以檢測和顯示出具有截然不同的曲線形狀的離群點。

圖5 包含溫度偏移的電壓測量精度

基于生產(chǎn)測試成本因素，一般情況下BM器件是不執(zhí)行第二個校準(zhǔn)步驟的。因為行業(yè)規(guī)范是只在一個溫度下測試封裝器件，而第二次校準(zhǔn)則需要在兩個溫度下對封裝器件進行精確的模擬測試，所以加入具有高模擬精度要求的第二個測試步驟通常都會大幅度增加成本。

愛特梅爾則開發(fā)出了一種新穎的方法，能以盡量少的額外成本來執(zhí)行第二個測試步驟。傳統(tǒng)上，第二步測試需要高精度測量設(shè)備和復(fù)雜的計算操作。此外，對每一個待測器件，第一步測試的數(shù)據(jù)必須存儲，然后在第二步測試中恢復(fù)。這些要求都會提高測試成本。愛特梅爾的專有技術(shù)充分利用BM單元本身具有的特性，把測試設(shè)備要求降至最低：通過精確的外部基準(zhǔn)電壓，利用板上ADC來執(zhí)行測量；利用CPU來執(zhí)行必須的計算任務(wù)；以及利用閃存來存儲第一步的測量數(shù)據(jù)。因此，只要利用成本非常低的測試設(shè)備便可以獲得精度極高的結(jié)果。通過這種方法，愛特梅爾便能夠以極低的額外測試成本來提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。

圖6 基于電流測量精度的電量計精度結(jié)果

帶溫度偏移的電壓測量精度
當(dāng)電池達到完全放電或完全充電狀態(tài)時，電壓測量便會決定什么時候關(guān)斷應(yīng)用或停止對電池充電。因為最大和最小電池電壓的安全考量都是不能打折扣的，故須內(nèi)置一個保護帶(guard band)，以確保所有情況下都能安全工作。電壓測量精度越高，需要的保護帶便越小，實際電池容量的利用率也會越高。在給定的電壓和溫度下，電壓測量可被校準(zhǔn)，而該條件下的電壓測量誤差將極小。當(dāng)考慮到溫度偏移時，測量誤差的主要來源是基準(zhǔn)電壓漂移。圖5顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓相比曲率補償基準(zhǔn)電壓所帶來的不確定性。如圖5所示，曲率補償可顯著提高精度。

結(jié)語
要最大限度地使用電池每次充電后的能量，盡量延長電池組的壽命，同時又不犧牲電池組的安全性，高的測量精度至關(guān)重要。為了避免增加校準(zhǔn)成本，BMU的固有精度必須盡可能地高。此外，通過能夠充分利用MCU板上資源的靈活新穎的校準(zhǔn)技術(shù)，便可以最小成本實現(xiàn)良好的基準(zhǔn)，消除溫度的影響。

圖6所示為32小時內(nèi)，一個10Ah電池的放電周期，分別是3h/1.5A，7h/0.6A，以及22h/60mA。溫度變化為±10℃，使用的是5mΩ的感測電阻。采用帶普通校準(zhǔn)方法的標(biāo)準(zhǔn)BMU，電荷積聚中的誤差大于400mAh，在這個例子中相當(dāng)于10Ah電池的4%以上。愛特梅爾的解決方案由于采用了整合有專有校準(zhǔn)方法的靈活模擬設(shè)計，能夠大大提高精度?；谶@些改進，誤差可被降至20mAh以下，相當(dāng)于0.2%。