電池管理應用中精確測量和溫度穩定的重要性

鋰離子電池由于擁有能量密度高、電壓高、自放電率低，以及無記憶效應等優勢，因而逐漸成為使用充電電池的便攜應用產品的常用技術。

電池管理的常見難題
在選擇鋰離子電池時，必須對之予以正確管理，以實現安全工作，并獲得每循環周期最高容量和最長壽命，而通常采用的方法就是加入電池管理單元(BMU)。要實現安全工作，BMU就必須能夠確保電池單元在電壓、溫度和電流方面經常處于其生產規格之內。這意味著在設計電池管理系統時，必須能夠考慮到最壞條件。以充電端電壓為例，標準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上限，一般都會建議先取得BMU中的電壓測量標準偏差，并用充電端電壓減去4倍的標準偏差值。例如，若BMU測得該電壓為4.25V，而標準偏差為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。因為充電電壓越高，容量也就越大。同樣，當電池超出推薦的充電截止電壓(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時，電池的磨損最大，所以要延長電池壽命，就需要盡量避免過高的充電電壓和過低的放電電壓。

精確測量的重要性
精確的電壓測量精度能夠定義電池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。測量越精確，保持在推薦限值之內所需的安全裕度越小。于是，電壓測量越精確，充電和放電就越能夠接近推薦的EOCV 和 EODV值，而無須犧牲安全性，也不需冒著電池容量過早衰減的風險。所以，電荷流的測量精度對保證電荷計算精度來說也是十分關鍵的。

必須考慮到溫度偏移
在固定溫度下獲得良好的測量精度并不困難，若在裝配電池組時已對BMU進行了校準便更容易。但實際情況中，電池組通常都會經受各種溫度變化，所以溫度漂移是區分真正高性能BMU和普通BMU的關鍵參數。
在溫度變化時實現高電壓測量精度的關鍵參數是ADC增益漂移 (gain drift)和基準電壓漂移(voltage reference drift)。對于4200 mV的電壓，電壓測量值偏移量一般小于3μV，在實際設計中，這是可忽略不計的。
要精確測量電荷流(charge flow)，還要考慮到眾多其他參數，以盡可能地減小感測電阻上的電壓降。校準后的ADC偏移量、ADC零點漂移、ADC增益漂移、基準電壓漂移和時基漂移，都對精度有著重大影響。對于小電流來說，與偏移量有關的參數最重要；而在電流較大的情況下，增益誤差、基準電壓和時基則開始成為主要影響因素。

溫度偏移可以通過對若干個溫度點進行校準來做出一定程度上補償，不過這種方案成本高昂，通常不為大多數電池組生產商采納。因此，一個好的BMU必須具有最小的溫度偏移，而且電池組設計人員必須考慮到BMU的最壞變化情況，以確保設計的安全性。

電流測量：電量計精度的基礎
要實現良好的鋰離子電池電量計，最有效方法是精確跟蹤電池內外的電荷流。在一定程度上，可利用適當的電壓測量來補償因開路電壓(OCV)和充電狀態(SoC)之間因恒定關系引起的電荷流誤差。一些最先進的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性，這使得利用OCV測量來校正電流測量誤差更加困難。而只要電壓測量有一點小小誤差，就可能導致SoC計算的重大偏差。所以，只有確保出色的電流測量和精確的時基才能獲得最佳精度。

圖1采用標準偏移校準方法進行校準之后的典型偏移量

如上所述，在小電流的情況下，造成電流測量誤差的最大原因是電流測量ADC中的偏移量，而目前已經有好幾種技術可減小這種偏移量。其中，最常用的技術是在受控環境中對偏移量進行測量，然后在每一次的測量值中都減去該偏移量。但這種方法有一個弱點，就是沒有考慮到偏移量的漂移。圖1顯示了把該技術用于一定數量的部件之后的殘余偏移量。愛特梅爾的電池管理單元采用的是一種更好的方法，而ATmega16HVA所 通過周期性改變電流測量的極性來抵償偏移量就是一例。雖然利用這方法仍會殘余極小但恒定的偏移量，不過，這個很小的殘余偏移量只需在保護FET開路之前進行測量，并通過電池組提供一個已知電流，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，而愛特梅爾BMU中偏移量漂移引起的殘余誤差更低于量子化級。消除偏移量的好處在于能夠精確測量很小的電流，而對于偏移量大的器件，就得在某一點上停止電流測量，轉而開始預測電流。有些BMU采用5mΩ的感測電阻，提供高達100mA的鎖定零區或死區。以筆記本電腦為例，這可是很可觀的電流量，足以保持某個工作模式非常長的時間了。

圖2 使用愛特梅爾的偏移消除技術之后的殘余偏移量

精確測量小電流
對于給定大小的感測電阻，電流測量ADC的偏移誤差每每限制了其能夠測量的最小電流級，致使在低感測電阻值和所需死區(這里因為電流級太低，無法集聚電荷流)之間必須進行大幅折中。最近，大多數設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量的技術變得愈發重要。
　　
電流測量的度偏移
要精確測量μV數量級電壓本身就頗具挑戰性，而在芯片經受溫度變化時實現精確測量更是困難，因為即使是一部主要在室內工作的筆記本電腦，還是會經歷溫度變化。例如，在電池均衡管理期間，BMU內部的一個FET以最大功率消耗電池的能量，致使芯片溫度大幅上升。與偏移有關的許多參數都有較大的溫度偏移，如果不消除這些效應，將影響到測量精度。愛特梅爾的偏移校準方法已獲證明在考慮到溫度效應時也非常有效。如圖2所示，溫度效應被完全消除，從而確保偏移不再對測量精度造成影響。
　　
帶隙基準電壓的特性及其對電壓測量的影響
帶隙基準電壓是獲得高精度結果的關鍵因素。來自固件預期值的實際基準電壓值偏差會轉化為測量結果的增益誤差，而在大多數情況下，這是電池電壓測量和大電流測量中最主要的誤差源。
標準帶隙基準電壓是由一個與絕對溫度成正比(PTAT)的電流和一個與絕對溫度成互補關系(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穩定的電流。這個電流流經電阻，形成不受溫度變化影響而且相對恒定的電壓。不過，由于CTAT的形狀是曲線，而PTAT是線性的，所以得到的電壓-溫度關系圖形也是曲線。

圖3 無曲率補償的帶隙結果

帶隙基準源中的電流級存在一定的生產差異(production variation)，使得25℃時的基準額定值、曲率形狀和曲線最平坦部分的位置都會發生各種變化，因此需要進行工廠校準，以盡量減小這種變化的影響，圖3所示為一個未校準基準源帶來的變化實例。在-20～+85℃的溫度范圍內，最高差異為-0.9～0.20%。而圖3則顯示有兩個離群點的曲線跟大多數其他器件的曲線有相當大的差異。

圖4 帶曲率補償的帶隙

BM器件中常用的標準帶隙基準源針對額定變化被校準，在25℃時的精度極高。然而，曲率形狀和位置變化的補償也相當常見，這就產生與溫度變化有關的大幅變化，使得在高和低溫時電池電壓測量不夠精確。此外，也不可能檢測和顯示出曲線形狀顯著不同的離群點。

新穎的基準電壓校準方法
為了在各種溫度變化下獲得更好的性能，愛特梅爾增加了一個額外的基準電壓校準機制，用以調節帶隙基準源的溫度系數。這個校準步驟將調節曲率的形狀和位置，并顯著改善隨溫度變化的穩定性，如圖4所示，在-20～+85℃溫度范圍內的最大變化是0.5%。注意第二個校準步驟可以檢測和顯示出具有截然不同的曲線形狀的離群點。

圖5 包含溫度偏移的電壓測量精度

基于生產測試成本因素，一般情況下BM器件是不執行第二個校準步驟的。因為行業規范是只在一個溫度下測試封裝器件，而第二次校準則需要在兩個溫度下對封裝器件進行精確的模擬測試，所以加入具有高模擬精度要求的第二個測試步驟通常都會大幅度增加成本。

愛特梅爾則開發出了一種新穎的方法，能以盡量少的額外成本來執行第二個測試步驟。傳統上，第二步測試需要高精度測量設備和復雜的計算操作。此外，對每一個待測器件，第一步測試的數據必須存儲，然后在第二步測試中恢復。這些要求都會提高測試成本。愛特梅爾的專有技術充分利用BM單元本身具有的特性，把測試設備要求降至最低：通過精確的外部基準電壓，利用板上ADC來執行測量；利用CPU來執行必須的計算任務；以及利用閃存來存儲第一步的測量數據。因此，只要利用成本非常低的測試設備便可以獲得精度極高的結果。通過這種方法，愛特梅爾便能夠以極低的額外測試成本來提供業界領先的性能。

圖6 基于電流測量精度的電量計精度結果

帶溫度偏移的電壓測量精度
當電池達到完全放電或完全充電狀態時，電壓測量便會決定什么時候關斷應用或停止對電池充電。因為最大和最小電池電壓的安全考量都是不能打折扣的，故須內置一個保護帶(guard band)，以確保所有情況下都能安全工作。電壓測量精度越高，需要的保護帶便越小，實際電池容量的利用率也會越高。在給定的電壓和溫度下，電壓測量可被校準，而該條件下的電壓測量誤差將極小。當考慮到溫度偏移時，測量誤差的主要來源是基準電壓漂移。圖5顯示了使用標準基準電壓相比曲率補償基準電壓所帶來的不確定性。如圖5所示，曲率補償可顯著提高精度。

結語
要最大限度地使用電池每次充電后的能量，盡量延長電池組的壽命，同時又不犧牲電池組的安全性，高的測量精度至關重要。為了避免增加校準成本，BMU的固有精度必須盡可能地高。此外，通過能夠充分利用MCU板上資源的靈活新穎的校準技術，便可以最小成本實現良好的基準，消除溫度的影響。

圖6所示為32小時內，一個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的感測電阻。采用帶普通校準方法的標準BMU，電荷積聚中的誤差大于400mAh，在這個例子中相當于10Ah電池的4%以上。愛特梅爾的解決方案由于采用了整合有專有校準方法的靈活模擬設計，能夠大大提高精度。基于這些改進，誤差可被降至20mAh以下，相當于0.2%。