- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
电池管理应用中精确测量和温度稳定的重要性
录入：edatop.com 点击：
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。
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。
|
