锂电池管理系统中的精准测量和稳定温度的重要性。

2020-09-02 17:28 ryder

 
  锂离子电池由于具有能量密度高、电压高、自放电率低,以及无记忆效应等优势,因而逐步成为运用充电电池的便携运用产品的常用技能。
 
电池办理的常见难题
 
    在选择锂离子电池时,有必要对之予以正确办理,以完成安全作业,并取得每循环周期最高容量和最长寿数,而一般选用的办法就是参加电池办理单元(BMU)。要完成安全作业,BMU就有必要能够保证电池单元在电压、温度和电流方面常常处于其出产规范之内。这意味着在规划电池办理系统时,有必要能够考虑到最坏条件。以充电端电压为例,规范笔记本电池的主张单元电压为4.25V以下。为坚持单元电压不超过上限,一般都会主张先取得BMU中的电压丈量规范偏差,并用充电端电压减去4倍的规范偏差值。例如,若BMU测得该电压为4.25V,而规范偏差为12.5mV,则当即指示在4.2V处中止充电。但是,这就与取得电池单元最大容量的目的直接抵触。由于充电电压越高,容量也就越大。同样,当电池超出推荐的充电截止电压(EOCV)和放电截止电压(EODV)时,电池的磨损最大,所以要延伸电池寿数,就需求尽量防止过高的充电电压和过低的放电电压。
 
准确丈量的重要性
 
    准确的电压丈量精度能够定义电池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。丈量越准确,坚持在推荐限值之内所需的安全裕度越小。于是,电压丈量越准确,充电和放电就越能够挨近推荐的EOCV 和 EODV值,而无须献身安全性,也不需冒着电池容量过早衰减的危险。所以,电荷流的丈量精度对保证电荷核算精度来说也是十分关键的。
 
有必要考虑到温度偏移
 
    在温度改变时完成高电压丈量精度的关键参数是ADC增益漂移 (gain drift)和基准电压漂移(voltage reference drift)。关于4200 mV的电压,电压丈量值偏移量一般小于3μV,在实践规划中,这是可忽略不计的。
 
   在固定温度下取得杰出的丈量精度并不困难,若在安装电池组时已对BMU进行了校准便更简单。但实践状况中,电池组一般都会饱尝各种温度改变,所以温度漂移是区分真实高功能BMU和普通BMU的关键参数。
 
   温度偏移能够经过对若干个温度点进行校准来做出必定程度上补偿,不过这种方案本钱高昂,一般不为大多数电池组出产商选用。因而,一个好的BMU有必要具有最小的温度偏移,并且电池组规划人员有必要考虑到BMU的最坏改变状况,以保证规划的安全性。 
 
   要准确丈量电荷流(charge flow),还要考虑到很多其他参数,以尽可能地减小感测电阻上的电压降。校准后的ADC偏移量、ADC零点漂移、ADC增益漂移、基准电压漂移和时基漂移,都对精度有着严重影响。关于小电流来说,与偏移量有关的参数最重要;而在电流较大的状况下,增益差错、基准电压和时基则开端成为首要影响因素。
 
电流丈量:电量计精度的基础
 
    要完成杰出的锂离子电池电量计,最有用办法是准确跟踪电池表里的电荷流。在必定程度上,可运用适当的电压丈量来补偿因开路电压(OCV)和充电状况(SoC)之间因安稳联系引起的电荷流差错。一些最先进的锂离子电池具有十分平整的电压特性,这使得运用OCV丈量来校正电流丈量差错愈加困难。而只需电压丈量有一点小小差错,就可能导致SoC核算的严重偏差。所以,只需保证出色的电流丈量和准确的时基才干取得最佳精度。
 
    如上所述,在小电流的状况下,形成电流丈量差错的最大原因是电流丈量ADC中的偏移量,而目前已经有好几种技能可减小这种偏移量。其中,最常用的技能是在受控环境中对偏移量进行丈量,然后在每一次的丈量值中都减去该偏移量。但这种办法有一个缺点,就是没有考虑到偏移量的漂移。图1显现了把该技能用于必定数量的部件之后的剩余偏移量。爱特梅尔的电池办理单元选用的是一种更好的办法,而ATmega16HVA所 经过周期性改变电流丈量的极性来赔偿偏移量就是一例。尽管运用这办法仍会剩余极小但安稳的偏移量,不过,这个很小的剩余偏移量只需在维护FET开路之前进行丈量,并经过电池组供给一个已知电流,就能够除掉。如图2所示,运用这种办法能够明显减小偏移量,而爱特梅尔BMU中偏移量漂移引起的剩余差错更低于量子化级。消除偏移量的好处在于能够准确丈量很小的电流,而关于偏移量大的器材,就得在某一点上中止电流丈量,转而开端猜测电流。有些BMU选用5mΩ的感测电阻,供给高达100mA的锁定零区或死区。以笔记本电脑为例,这但是很可观的电流量,足以坚持某个作业形式十分长的时刻了。
 
准确丈量小电流
 
    关于给定巨细的感测电阻,电流丈量ADC的偏移差错每每约束了其能够丈量的最小电流级,致使在低感测电阻值和所需死区(这儿由于电流级太低,无法集聚电荷流)之间有必要进行大幅折中。最近,大多数设备制造商都在寻找降低耗电量,并尽可能坚持低功耗形式的办法,使保证小电流取得准确丈量的技能变得益发重要。
  
带隙基准电压的特性及其对电压丈量的影响
 
    带隙基准电压是取得高精度成果的关键因素。来自固件预期值的实践基准电压值偏差会转化为丈量成果的增益差错,而在大多数状况下,这是电池电压丈量和大电流丈量中最首要的差错源。
规范带隙基准电压是由一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流和一个与绝对温度成互补联系(CTAT)的电流两部分相加组成,可供给不受温度改变影响并且相对安稳的电流。这个电流流经电阻,形成不受温度改变影响并且相对安稳的电压。不过,由于CTAT的形状是曲线,而PTAT是线性的,所以得到的电压-温度联系图形也是曲线。
 
电流丈量的温度偏移
 
    要准确丈量μV数量级电压自身就颇具挑战性,而在芯片饱尝温度改变时完成准确丈量更是困难,由于即使是一部首要在室内作业的笔记本电脑,还是会阅历温度改变。例如,在电池均衡办理期间,BMU内部的一个FET以最大功率耗费电池的能量,致使芯片温度大幅上升。与偏移有关的许多参数都有较大的温度偏移,假如不消除这些效应,将影响到丈量精度。爱特梅尔的偏移校准办法已获证明在考虑到温度效应时也十分有用。如图2所示,温度效应被彻底消除,从而保证偏移不再对丈量精度形成影响。
 
    带隙基准源中的电流级存在必定的出产差异(production variation),使得25℃时的基准额定值、曲率形状和曲线最平整部分的方位都会发生各种改变,因而需求进行工厂校准,以尽量减小这种改变的影响,图3所示为一个未校准基准源带来的改变实例。在-20~+85℃的温度范围内,最高差异为-0.9~0.20%。而图3则显现有两个离群点的曲线跟大多数其他器材的曲线有适当大的差异。
 
    BM器材中常用的规范带隙基准源针对额定改变被校准,在25℃时的精度极高。但是,曲率形状和方位改变的补偿也适当常见,这就发生与温度改变有关的大幅改变,使得在高和低温时电池电压丈量不行准确。此外,也不可能检测和显现出曲线形状明显不同的离群点。
 
带温度偏移的电压丈量精度
 
    当电池达到彻底放电或彻底充电状况时,电压丈量便会决议什么时候关断运用或中止对电池充电。由于最大和最小电池电压的安全考量都是不能打折扣的,故须内置一个维护带(guard band),以保证所有状况下都能安全作业。电压丈量精度越高,需求的维护带便越小,实践电池容量的运用率也会越高。在给定的电压和温度下,电压丈量可被校准,而该条件下的电压丈量差错将极小。当考虑到温度偏移时,丈量差错的首要来源是基准电压漂移。图5显现了运用规范基准电压相比曲率补偿基准电压所带来的不确定性。如图5所示,曲率补偿可明显提高精度。
 
新颖的基准电压校准办法
 
    为了在各种温度改变下取得更好的功能,爱特梅尔添加了一个额定的基准电压校准机制,用以调理带隙基准源的温度系数。这个校准过程将调理曲率的形状和方位,并明显改善随温度改变的安稳性,如图4所示,在-20~+85℃温度范围内的最大改变是0.5%。注意第二个校准过程能够检测和显现出具有截然不同的曲线形状的离群点。
 
    根据出产测验本钱因素,一般状况下BM器材是不履行第二个校准过程的。由于行业规范是只在一个温度下测验封装器材,而第二次校准则需求在两个温度下对封装器材进行准确的模仿测验,所以参加具有高模仿精度要求的第二个测验过程一般都会大幅度添加本钱。
 
    爱特梅尔则开发出了一种新颖的办法,能以尽量少的额定本钱来履行第二个测验过程。传统上,第二步测验需求高精度丈量设备和杂乱的核算操作。此外,对每一个待测器材,第一步测验的数据有必要存储,然后在第二步测验中康复。这些要求都会提高测验本钱。爱特梅尔的专有技能充分运用BM单元自身具有的特性,把测验设备要求降至最低:经过准确的外部基准电压,运用板上ADC来履行丈量;运用CPU来履行有必要的核算任务;以及运用闪存来存储第一步的丈量数据。因而,只需运用本钱十分低的测验设备便能够取得精度极高的成果。经过这种办法,爱特梅尔便能够以极低的额定测验本钱来供给业界领先的功能。
 
结语
 
    要最大限度地运用电池每次充电后的能量,尽量延伸电池组的寿数,同时又不献身电池组的安全性,高的丈量精度至关重要。为了防止添加校准本钱,BMU的固有精度有必要尽可能地高。此外,经过能够充分运用MCU板上资源的灵敏新颖的校准技能,便能够最小本钱完成杰出的基准,消除温度的影响。
 
    一个10Ah电池的放电周期,分别是3h/1.5A,7h/0.6A,以及22h/60mA。温度改变为±10℃,运用的是5mΩ的感测电阻。选用带普通校准办法的规范BMU,电荷积累中的差错大于400mAh,在这个例子中适当于10Ah电池的4%以上。爱特梅尔的解决方案由于选用了整合有专有校准办法的灵敏模仿规划,能够大大提高精度。根据这些改善,差错可被降至20mAh以下,适当于0.2%。

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