电池管理应用中精确测量和温度稳定的重要性
发布时间：2010-1-27 14:26
发布者：贾延安
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锂离子电池由于拥有能量密度高、电压高、自放电率低，以及无记忆效应等优势，因而逐渐成为使用充电电池的便携应用产品的常用技术。 电池管理的常见难题 在选择锂离子电池时，必须对之予以正确管理，以实现安全工作，并获得每循环周期最高容量和最长寿命，而通常采用的方法就是加入电池管理单元(BMU)。要实现安全工作，BMU就必须能够确保电池单元在电压、温度和电流方面经常处于其生产规格之内。这意味着在设计电池管理系统时，必须能够考虑到最坏条件。以充电端电压为例，标准笔记本电池的建议单元电压为4.25V以下。为保持单元电压不超过上限，一般都会建议先取得BMU 中的电压测量标准偏差，并用充电端电压减去4倍的标准偏差值。例如，若BMU测得该电压为4.25V，而标准偏差为12.5mV，则立即指示在4.2V处停止充电。然而，这就与获得电池单元最大容量的目的直接冲突。因为充电电压越高，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，所以要延长电池寿命，就需要尽量避免过高的充电电压和过低的放电电压。 精确测量的重要性 精确的电压测量精度能够定义电池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。测量越精确，保持在推荐限值之内所需的安全裕度越小。于是，电压测量越精确，充电和放电就越能够接近推荐的EOCV 和 EODV值，而无须牺牲安全性，也不需冒着电池容量过早衰减的风险。所以，电荷流的测量精度对保证电荷计算精度来说也是十分关键的。 必须考虑到温度偏移 在固定温度下获得良好的测量精度并不困难，若在装配电池组时已对BMU进行了校准便更容易。但实际情况中，电池组通常都会经受各种温度变化，所以温度漂移是区分真正高性能BMU和普通BMU的关键参数。 在温度变化时实现高电压测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)。对于4200 mV的电压，电压测量值偏移量一般小于3μV，在实际设计中，这是可忽略不计的。 要精确测量电荷流(charge flow)，还要考虑到众多其他参数，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，都对精度有着重大影响。对于小电流来说，与偏移量有关的参数最重要；而在电流较大的情况下，增益误差、基准电压和时基则开始成为主要影响因素。 温度偏移可以通过对若干个温度点进行校准来做出一定程度上补偿，不过这种方案成本高昂，通常不为大多数电池组生产商采纳。因此，一个好的 BMU必须具有最小的温度偏移，而且电池组设计人员必须考虑到BMU的最坏变化情况，以确保设计的安全性。 电流测量：电量计精度的基础 要实现良好的锂离子电池电量计，最有效方法是精确跟踪电池内外的电荷流。在一定程度上，可利用适当的电压测量来补偿因开路电压(OCV)和充电状态(SoC)之间因恒定关系引起的电荷流误差。一些最先进的锂离子电池具有非常平坦的电压特性，这使得利用OCV测量来校正电流测量误差更加困难。而只要电压测量有一点小小误差，就可能导致SoC计算的重大偏差。所以，只有确保出色的电流测量和精确的时基才能获得最佳精度。 
图1采用标准偏移校准方法进行校准之后的典型偏移量 如上所述，在小电流的情况下，造成电流测量误差的最大原因是电流测量ADC中的偏移量，而目前已经有好几种技术可减小这种偏移量。其中，最常用的技术是在受控环境中对偏移量进行测量，然后在每一次的测量值中都减去该偏移量。但这种方法有一个弱点，就是没有考虑到偏移量的漂移。图1显示了把该技术用于一定数量的部件之后的残余偏移量。爱特梅尔的电池管理单元采用的是一种更好的方法，而ATmega16HVA所 通过周期性改变电流测量的极性来抵偿偏移量就是一例。虽然利用这方法仍会残余极小但恒定的偏移量，不过，这个很小的残余偏移量只需在保护FET开路之前进行测量，并通过电池组提供一个已知电流，就可以除去。如图2所示，利用这种方法可以显著减小偏移量，而爱特梅尔BMU中偏移量漂移引起的残余误差更低于量子化级。消除偏移量的好处在于能够精确测量很小的电流，而对于偏移量大的器件，就得在某一点上停止电流测量，转而开始预测电流。有些BMU采用5mΩ的感测电阻，提供高达100mA的锁定零区或死区。以笔记本电脑为例，这可是很可观的电流量，足以保持某个工作模式非常长的时间了。 
图2 使用爱特梅尔的偏移消除技术之后的残余偏移量 精确测量小电流 对于给定大小的感测电阻，电流测量ADC的偏移误差每每限制了其能够测量的最小电流级，致使在低感测电阻值和所需死区(这里因为电流级太低，无法集聚电荷流)之间必须进行大幅折中。最近，大多数设备制造商都在寻找降低耗电量，并尽可能保持低功耗模式的方法，使确保小电流获得精确测量的技术变得愈发重要。 电流测量的度偏移 要精确测量μV数量级电压本身就颇具挑战性，而在芯片经受温度变化时实现精确测量更是困难，因为即使是一部主要在室内工作的笔记本电脑，还是会经历温度变化。例如，在电池均衡管理期间，BMU内部的一个FET以最大功率消耗电池的能量，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，如果不消除这些效应，将影响到测量精度。爱特梅尔的偏移校准方法已获证明在考虑到温度效应时也非常有效。如图2所示，温度效应被完全消除，从而确保偏移不再对测量精度造成影响。 带隙基准电压的特性及其对电压测量的影响 带隙基准电压是获得高精度结果的关键因素。来自固件预期值的实际基准电压值偏差会转化为测量结果的增益误差，而在大多数情况下，这是电池电压测量和大电流测量中最主要的误差源。 标准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关系(CTAT)的电流两部分相加组成，可提供不受温度变化影响而且相对稳定的电流。这个电流流经电阻，形成不受温度变化影响而且相对恒定的电压。不过，由于CTAT的形状是曲线，而PTAT是线性的，所以得到的电压-温度关系图形也是曲线。 
图3 无曲率补偿的带隙结果 带隙基准源中的电流级存在一定的生产差异(production variation)，使得25℃时的基准额定值、曲率形状和曲线最平坦部分的位置都会发生各种变化，因此需要进行工厂校准，以尽量减小这种变化的影响，图3所示为一个未校准基准源带来的变化实例。在-20～+85℃的温度范围内，最高差异为-0.9～0.20%。而图3则显示有两个离群点的曲线跟大多数其他器件的曲线有相当大的差异。 
图4 带曲率补偿的带隙 BM器件中常用的标准带隙基准源针对额定变化被校准，在25℃时的精度极高。然而，曲率形状和位置变化的补偿也相当常见，这就产生与温度变化有关的大幅变化，使得在高和低温时电池电压测量不够精确。此外，也不可能检测和显示出曲线形状显著不同的离群点。 新颖的基准电压校准方法 为了在各种温度变化下获得更好的性能，爱特梅尔增加了一个额外的基准电压校准机制，用以调节带隙基准源的温度系数。这个校准步骤将调节曲率的形状和位置，并显著改善随温度变化的稳定性，如图4所示，在-20～+85℃温度范围内的最大变化是0.5%。注意第二个校准步骤可以检测和显示出具有截然不同的曲线形状的离群点。 
图5 包含温度偏移的电压测量精度 基于生产测试成本因素，一般情况下BM器件是不执行第二个校准步骤的。因为行业规范是只在一个温度下测试封装器件，而第二次校准则需要在两个温度下对封装器件进行精确的模拟测试，所以加入具有高模拟精度要求的第二个测试步骤通常都会大幅度增加成本。 爱特梅尔则开发出了一种新颖的方法，能以尽量少的额外成本来执行第二个测试步骤。传统上，第二步测试需要高精度测量设备和复杂的计算操作。此外，对每一个待测器件，第一步测试的数据必须存储，然后在第二步测试中恢复。这些要求都会提高测试成本。爱特梅尔的专有技术充分利用BM单元本身具有的特性，把测试设备要求降至最低：通过精确的外部基准电压，利用板上ADC来执行测量；利用CPU来执行必须的计算任务；以及利用闪存来存储第一步的测量数据。因此，只要利用成本非常低的测试设备便可以获得精度极高的结果。通过这种方法，爱特梅尔便能够以极低的额外测试成本来提供业界领先的性能。 
图6 基于电流测量精度的电量计精度结果 带温度偏移的电压测量精度 当电池达到完全放电或完全充电状态时，电压测量便会决定什么时候关断应用或停止对电池充电。因为最大和最小电池电压的安全考量都是不能打折扣的，故须内置一个保护带(guard band)，以确保所有情况下都能安全工作。电压测量精度越高，需要的保护带便越小，实际电池容量的利用率也会越高。在给定的电压和温度下，电压测量可被校准，而该条件下的电压测量误差将极小。当考虑到温度偏移时，测量误差的主要来源是基准电压漂移。图5显示了使用标准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，曲率补偿可显著提高精度。 结语 要最大限度地使用电池每次充电后的能量，尽量延长电池组的寿命，同时又不牺牲电池组的安全性，高的测量精度至关重要。为了避免增加校准成本，BMU的固有精度必须尽可能地高。此外，通过能够充分利用MCU板上资源的灵活新颖的校准技术，便可以最小成本实现良好的基准，消除温度的影响。 图6所示为32小时内，一个10Ah电池的放电周期，分别是3h/1.5A，7h/0.6A，以及22h/60mA。温度变化为±10℃，使用的是5mΩ的感测电阻。采用带普通校准方法的标准BMU，电荷积聚中的误差大于400mAh，在这个例子中相当于10Ah电池的4%以上。爱特梅尔的解决方案由于采用了整合有专有校准方法的灵活模拟设计，能够大大提高精度。基于这些改进，误差可被降至20mAh以下，相当于0.2%。 作者：爱特梅尔公司AVR产品市场总监 Odd Jostein Svendsli |
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