- 電池管理的常見(jiàn)難題
- 精確測(cè)量的重要性
- 電流測(cè)量:電量計(jì)精度的基礎(chǔ)
- 電流測(cè)量的度偏移
- 電流測(cè)量:電量計(jì)精度的基
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(safetymargin)。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(gaindrift)和基準(zhǔn)電壓漂移(voltagereferencedrift)。對(duì)于4200mV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(chargeflow),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。
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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
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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(productionvariation),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?br />
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)。
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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模薯殐?nèi)置一個(gè)保護(hù)帶(guardband),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。
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有校準(zhǔn)方法的靈活模擬設(shè)計(jì),能夠大大提高精度。基于這些改進(jìn),誤差可被降至20mAh以下,相當(dāng)于0.2%。