电池管理应用中精确测量和温度稳定的重要性

2012-04-10 18:06:34来源: 维库开发网

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

[1] [2]

关键字:电池管理  精确测量  温度稳定

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0410/article_4947.html
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