電池管理應(yīng)用中精確測(cè)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(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，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(jiàn)難題
在選擇鋰離子電池時(shí)，必須對(duì)之予以正確管理，以實(shí)現(xiàn)安全工作，并獲得每循環(huán)周期最高容量和最長(zhǎng)壽命，而通常采用的方法就是加入電池管理單元(BMU)。要實(shí)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(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，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(guò)上限，一般都會(huì)建議先取得BMU中的電壓測(cè)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(cè)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?yàn)槌潆婋妷涸礁?，容量也就越大。同樣，?dāng)電池超出推薦的充電截止電壓(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時(shí)，電池的磨損最大，所以要延長(zhǎng)電池壽命，就需要盡量避免過(guò)高的充電電壓和過(guò)低的放電電壓。

精確測(cè)量的重要性
精確的電壓測(cè)量精度能夠定義電池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。測(cè)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(cè)量越精確，充電和放電就越能夠接近推薦的EOCV 和 EODV值，而無(wú)須犧牲安全性，也不需冒著電池容量過(guò)早衰減的風(fēng)險(xiǎn)。所以，電荷流的測(cè)量精度對(duì)保證電荷計(jì)算精度來(lái)說(shuō)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(cè)量精度并不困難，若在裝配電池組時(shí)已對(duì)BMU進(jìn)行了校準(zhǔn)便更容易。但實(shí)際情況中，電池組通常都會(huì)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(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓測(cè)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(duì)于4200 mV的電壓，電壓測(cè)量值偏移量一般小于3μV，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這是可忽略不計(jì)的。
要精確測(cè)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(cè)電阻上的電壓降。校準(zhǔn)后的ADC偏移量、ADC零點(diǎn)漂移、ADC增益漂移、基準(zhǔn)電壓漂移和時(shí)基漂移，都對(duì)精度有著重大影響。對(duì)于小電流來(lái)說(shuō)，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(shí)基則開(kāi)始成為主要影響因素。

溫度偏移可以通過(guò)對(duì)若干個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)做出一定程度上補(bǔ)償，不過(guò)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(gè)好的BMU必須具有最小的溫度偏移，而且電池組設(shè)計(jì)人員必須考慮到BMU的最壞變化情況，以確保設(shè)計(jì)的安全性。

電流測(cè)量：電量計(jì)精度的基礎(chǔ)
要實(shí)現(xiàn)良好的鋰離子電池電量計(jì)，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(cè)量來(lái)補(bǔ)償因開(kāi)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(jìn)的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性，這使得利用OCV測(cè)量來(lái)校正電流測(cè)量誤差更加困難。而只要電壓測(cè)量有一點(diǎn)小小誤差，就可能導(dǎo)致SoC計(jì)算的重大偏差。所以，只有確保出色的電流測(cè)量和精確的時(shí)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(jìn)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(cè)量誤差的最大原因是電流測(cè)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(duì)偏移量進(jìn)行測(cè)量，然后在每一次的測(cè)量值中都減去該偏移量。但這種方法有一個(gè)弱點(diǎn)，就是沒(méi)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(ài)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(guò)周期性改變電流測(cè)量的極性來(lái)抵償偏移量就是一例。雖然利用這方法仍會(huì)殘余極小但恒定的偏移量，不過(guò)，這個(gè)很小的殘余偏移量只需在保護(hù)FET開(kāi)路之前進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)電池組提供一個(gè)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(ài)特梅爾BMU中偏移量漂移引起的殘余誤差更低于量子化級(jí)。消除偏移量的好處在于能夠精確測(cè)量很小的電流，而對(duì)于偏移量大的器件，就得在某一點(diǎn)上停止電流測(cè)量，轉(zhuǎn)而開(kāi)始預(yù)測(cè)電流。有些BMU采用5mΩ的感測(cè)電阻，提供高達(dá)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(gè)工作模式非常長(zhǎng)的時(shí)間了。

圖2 使用愛(ài)特梅爾的偏移消除技術(shù)之后的殘余偏移量

精確測(cè)量小電流
對(duì)于給定大小的感測(cè)電阻，電流測(cè)量ADC的偏移誤差每每限制了其能夠測(cè)量的最小電流級(jí)，致使在低感測(cè)電阻值和所需死區(qū)(這里因?yàn)殡娏骷?jí)太低，無(wú)法集聚電荷流)之間必須進(jìn)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(cè)量的技術(shù)變得愈發(fā)重要。
　　
電流測(cè)量的度偏移
要精確測(cè)量μV數(shù)量級(jí)電壓本身就頗具挑戰(zhàn)性，而在芯片經(jīng)受溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量更是困難，因?yàn)榧词故且徊恐饕谑覂?nèi)工作的筆記本電腦，還是會(huì)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(gè)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(cè)量精度。愛(ài)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(shí)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(duì)測(cè)量精度造成影響。
　　
帶隙基準(zhǔn)電壓的特性及其對(duì)電壓測(cè)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(lái)自固件預(yù)期值的實(shí)際基準(zhǔn)電壓值偏差會(huì)轉(zhuǎn)化為測(cè)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(cè)量和大電流測(cè)量中最主要的誤差源。
標(biāo)準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)電壓是由一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比(PTAT)的電流和一個(gè)與絕對(duì)溫度成互補(bǔ)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(duì)穩(wěn)定的電流。這個(gè)電流流經(jīng)電阻，形成不受溫度變化影響而且相對(duì)恒定的電壓。不過(guò)，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(wú)曲率補(bǔ)償?shù)膸督Y(jié)果

帶隙基準(zhǔn)源中的電流級(jí)存在一定的生產(chǎn)差異(production variation)，使得25℃時(shí)的基準(zhǔn)額定值、曲率形狀和曲線最平坦部分的位置都會(huì)發(fā)生各種變化，因此需要進(jìn)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(gè)未校準(zhǔn)基準(zhǔn)源帶來(lái)的變化實(shí)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(gè)離群點(diǎn)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(bǔ)償?shù)膸?/P>

BM器件中常用的標(biāo)準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)源針對(duì)額定變化被校準(zhǔn)，在25℃時(shí)的精度極高。然而，曲率形狀和位置變化的補(bǔ)償也相當(dāng)常見(jiàn)，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(shí)電池電壓測(cè)量不夠精確。此外，也不可能檢測(cè)和顯示出曲線形狀顯著不同的離群點(diǎn)。

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(ài)特梅爾增加了一個(gè)額外的基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)機(jī)制，用以調(diào)節(jié)帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。這個(gè)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(gè)校準(zhǔn)步驟可以檢測(cè)和顯示出具有截然不同的曲線形狀的離群點(diǎn)。

圖5 包含溫度偏移的電壓測(cè)量精度

基于生產(chǎn)測(cè)試成本因素，一般情況下BM器件是不執(zhí)行第二個(gè)校準(zhǔn)步驟的。因?yàn)樾袠I(yè)規(guī)范是只在一個(gè)溫度下測(cè)試封裝器件，而第二次校準(zhǔn)則需要在兩個(gè)溫度下對(duì)封裝器件進(jìn)行精確的模擬測(cè)試，所以加入具有高模擬精度要求的第二個(gè)測(cè)試步驟通常都會(huì)大幅度增加成本。

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

圖6 基于電流測(cè)量精度的電量計(jì)精度結(jié)果

帶溫度偏移的電壓測(cè)量精度
當(dāng)電池達(dá)到完全放電或完全充電狀態(tài)時(shí)，電壓測(cè)量便會(huì)決定什么時(shí)候關(guān)斷應(yīng)用或停止對(duì)電池充電。因?yàn)樽畲蠛妥钚‰姵仉妷旱陌踩剂慷际遣荒艽蛘劭鄣?，故須?nèi)置一個(gè)保護(hù)帶(guard band)，以確保所有情況下都能安全工作。電壓測(cè)量精度越高，需要的保護(hù)帶便越小，實(shí)際電池容量的利用率也會(huì)越高。在給定的電壓和溫度下，電壓測(cè)量可被校準(zhǔn)，而該條件下的電壓測(cè)量誤差將極小。當(dāng)考慮到溫度偏移時(shí)，測(cè)量誤差的主要來(lái)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(bǔ)償基準(zhǔn)電壓所帶來(lái)的不確定性。如圖5所示，曲率補(bǔ)償可顯著提高精度。

結(jié)語(yǔ)
要最大限度地使用電池每次充電后的能量，盡量延長(zhǎng)電池組的壽命，同時(shí)又不犧牲電池組的安全性，高的測(cè)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(guò)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(shí)現(xiàn)良好的基準(zhǔn)，消除溫度的影響。

圖6所示為32小時(shí)內(nèi)，一個(gè)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(cè)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(gè)例子中相當(dāng)于10Ah電池的4%以上。愛(ài)特梅爾的解決方案由于采用了整合有專(zhuān)有校準(zhǔn)方法的靈活模擬設(shè)計(jì)，能夠大大提高精度?；谶@些改進(jìn)，誤差可被降至20mAh以下，相當(dāng)于0.2%。