中心議題：

• 電池管理的常見難題
• 精確測量的重要性

解決方案：

• 電流測量：電量計精度的基礎
• 電流測量的度偏移
• 電流測量：電量計精度的基

鋰離子電池由於擁有能量密度高、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zai選xuan擇ze鋰li離li子zi電dian池chi時shi，必bi須xu對dui之zhi予yu以yi正zheng確que管guan理li
，以yi實shi現xian安an全quan工gong作zuo，並bing獲huo得de每mei循xun環huan周zhou期qi最zui高gao容rong量liang和he最zui長chang壽shou命ming，而er通tong常chang采cai用yong的de方fang法fa就jiu是shi加jia入ru電dian池chi管guan理li單dan元yuan(BMU)。要實現安全工作，BMU就必須能夠確保電池單元在電壓、溫(wen)度(du)和(he)電(dian)流(liu)方(fang)麵(mian)經(jing)常(chang)處(chu)於(yu)其(qi)生(sheng)產(chan)規(gui)格(ge)之(zhi)內(nei)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)設(she)計(ji)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)時(shi)，必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)考(kao)慮(lv)到(dao)最(zui)壞(huai)條(tiao)件(jian)。以(yi)充(chong)電(dian)端(duan)電(dian)壓(ya)為(wei)例(li)，標(biao)準(zhun)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)池(chi)的(de)建(jian)議(yi)單(dan)元(yuan)電(dian)壓(ya)為(wei)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
，並用充電端電壓減去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(chu)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)。然(ran)而(er)，這(zhe)就(jiu)與(yu)獲(huo)得(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)最(zui)大(da)容(rong)量(liang)的(de)目(mu)的(de)直(zhi)接(jie)衝(chong)突(tu)。因(yin)為(wei)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)越(yue)高(gao)
，容(rong)量(liang)也(ye)就(jiu)越(yue)大(da)。同(tong)樣(yang)，當(dang)電(dian)池(chi)超(chao)出(chu)推(tui)薦(jian)的(de)充(chong)電(dian)截(jie)止(zhi)電(dian)壓(ya)(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(safetymargin)。測量越精確，保持在推薦限值之內所需的安全裕度越小。於是，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並不困難，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(gaindrift)和基準電壓漂移(voltagereferencedrift)。對於4200mV的電壓，電壓測量值偏移量一般小於3μV，在實際設計中，這是可忽略不計的。

要精確測量電荷流(chargeflow)，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。校準後的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。對於小電流來說，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wen度du偏pian移yi可ke以yi通tong過guo對dui若ruo幹gan個ge溫wen度du點dian進jin行xing校xiao準zhun來lai做zuo出chu一yi定ding程cheng度du上shang補bu償chang，不bu過guo這zhe種zhong方fang案an成cheng本ben高gao昂ang
，通tong常chang不bu為wei大da多duo數shu電dian池chi組zu生sheng產chan商shang采cai納na。因yin此ci，一yi個ge好hao的deBMU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。
[page]
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)之間因恒定關係引起的電荷流誤差。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。而隻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，隻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後的典型偏移量

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zhong的de偏pian移yi量liang，而er目mu前qian已yi經jing有you好hao幾ji種zhong技ji術shu可ke減jian小xiao這zhe種zhong偏pian移yi量liang。其qi中zhong
，最zui常chang用yong的de技ji術shu是shi在zai受shou控kong環huan境jing中zhong對dui偏pian移yi量liang進jin行xing測ce量liang，然ran後hou在zai每mei一yi次ci的de測ce量liang值zhi中zhong都dou減jian去qu該gai偏pian移yi量liang。但dan這zhe種zhong方fang法fa有you一yi個ge弱ruo點dian，就jiu是shi沒mei有you考kao慮lv到dao偏pian移yi量liang的de漂piao移yi。圖tu1顯示了把該技術用於一定數量的部件之後的殘餘偏移量。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餘極小但恒定的偏移量，不過
，這個很小的殘餘偏移量隻需在保護FET開路之前進行測量，並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zhong偏pian移yi量liang漂piao移yi引yin起qi的de殘can餘yu誤wu差cha更geng低di於yu量liang子zi化hua級ji。消xiao除chu偏pian移yi量liang的de好hao處chu在zai於yu能neng夠gou精jing確que測ce量liang很hen小xiao的de電dian流liu，而er對dui於yu偏pian移yi量liang大da的de器qi件jian
，就jiu得de在zai某mou一yi點dian上shang停ting止zhi電dian流liu測ce量liang，轉zhuan而er開kai始shi預yu測ce電dian流liu。有you些xieBMU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後的殘餘偏移量
[page]
精確測量小電流

對於給定大小的感測電阻，電流測量ADC的偏移誤差每每限製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(這裏因為電流級太低，無法集聚電荷流)zhijianbixujinxingdafuzhezhong。zuijin，daduoshushebeizhizaoshangdouzaixunzhaojiangdihaodianliang，bingjinkenengbaochidigonghaomoshidefangfa，shiquebaoxiaodianliuhuodejingqueceliangdejishubiandeyufazhongyao。
　　
電流測量的度偏移

要精確測量μV數shu量liang級ji電dian壓ya本ben身shen就jiu頗po具ju挑tiao戰zhan性xing，而er在zai芯xin片pian經jing受shou溫wen度du變bian化hua時shi實shi現xian精jing確que測ce量liang更geng是shi困kun難nan，因yin為wei即ji使shi是shi一yi部bu主zhu要yao在zai室shi內nei工gong作zuo的de筆bi記ji本ben電dian腦nao，還hai是shi會hui經jing曆li溫wen度du變bian化hua。例li如ru
，在zai電dian池chi均jun衡heng管guan理li期qi間jian
，BMU內部的一個FET以yi最zui大da功gong率lv消xiao耗hao電dian池chi的de能neng量liang，致zhi使shi芯xin片pian溫wen度du大da幅fu上shang升sheng。與yu偏pian移yi有you關guan的de許xu多duo參can數shu都dou有you較jiao大da的de溫wen度du偏pian移yi，如ru果guo不bu消xiao除chu這zhe些xie效xiao應ying

，將jiang影ying響xiang到dao測ce量liang精jing度du。愛ai特te梅mei爾er的de偏pian移yi校xiao準zhun方fang法fa已yi獲huo證zheng明ming在zai考kao慮lv到dao溫wen度du效xiao應ying時shi也ye非fei常chang有you效xiao。如ru圖tu2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

daixijizhundianyashihuodegaojingdujieguodeguanjianyinsu。laizigujianyuqizhideshijijizhundianyazhipianchahuizhuanhuaweiceliangjieguodezengyiwucha，erzaidaduoshuqingkuangxia
，zheshidianchidianyacelianghedadianliuceliangzhongzuizhuyaodewuchayuan。

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係(CTAT)的(de)電(dian)流(liu)兩(liang)部(bu)分(fen)相(xiang)加(jia)組(zu)成(cheng)
，可(ke)提(ti)供(gong)不(bu)受(shou)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)而(er)且(qie)相(xiang)對(dui)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)。這(zhe)個(ge)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)電(dian)阻(zu)，形(xing)成(cheng)不(bu)受(shou)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)而(er)且(qie)相(xiang)對(dui)恒(heng)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)。不(bu)過(guo)，由(you)於(yu)CTAT的形狀是曲線，而PTAT是線性的

，所以得到的電壓-溫度關係圖形也是曲線。


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(productionvariation)
，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℃的溫度範圍內

，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shi的de精jing度du極ji高gao。然ran而er，曲qu率lv形xing狀zhuang和he位wei置zhi變bian化hua的de補bu償chang也ye相xiang當dang常chang見jian
，這zhe就jiu產chan生sheng與yu溫wen度du變bian化hua有you關guan的de大da幅fu變bian化hua，使shi得de在zai高gao和he低di溫wen時shi電dian池chi電dian壓ya測ce量liang不bu夠gou精jing確que。此ci外wai，也ye不bu可ke能neng檢jian測ce和he顯xian示shi出chu曲qu線xian形xing狀zhuang顯xian著zhu不bu同tong的de離li群qun點dian。
[page]
新穎的基準電壓校準方法

weilezaigezhongwendubianhuaxiahuodegenghaodexingneng，aitemeierzengjialeyigeewaidejizhundianyaxiaozhunjizhi，yongyitiaojiedaixijizhunyuandewenduxishu。zhegexiaozhunbuzhoujiangtiaojiequlvdexingzhuangheweizhi
，bingxianzhugaishansuiwendubianhuadewendingxing，rutu4所示，在-20～+85℃溫度範圍內的最大變化是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

基於生產測試成本因素
，一般情況下BM器(qi)件(jian)是(shi)不(bu)執(zhi)行(xing)第(di)二(er)個(ge)校(xiao)準(zhun)步(bu)驟(zhou)的(de)。因(yin)為(wei)行(xing)業(ye)規(gui)範(fan)是(shi)隻(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)溫(wen)度(du)下(xia)測(ce)試(shi)封(feng)裝(zhuang)器(qi)件(jian)，而(er)第(di)二(er)次(ci)校(xiao)準(zhun)則(ze)需(xu)要(yao)在(zai)兩(liang)個(ge)溫(wen)度(du)下(xia)對(dui)封(feng)裝(zhuang)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)的(de)模(mo)擬(ni)測(ce)試(shi)
，所(suo)以(yi)加(jia)入(ru)具(ju)有(you)高(gao)模(mo)擬(ni)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)的(de)第(di)二(er)個(ge)測(ce)試(shi)步(bu)驟(zhou)通(tong)常(chang)都(dou)會(hui)大(da)幅(fu)度(du)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)。

aitemeierzekaifachuleyizhongxinyingdefangfa
，nengyijinliangshaodeewaichengbenlaizhixingdiergeceshibuzhou。chuantongshang，dierbuceshixuyaogaojingduceliangshebeihefuzadejisuancaozuo。ciwai
，duimeiyigedaiceqijian
，diyibuceshideshujubixucunchu，ranhouzaidierbuceshizhonghuifu。zhexieyaoqiudouhuitigaoceshichengben。aitemeierdezhuanyoujishuchongfenliyongBM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yi及ji利li用yong閃shan存cun來lai存cun儲chu第di一yi步bu的de測ce量liang數shu據ju。因yin此ci，隻zhi要yao利li用yong成cheng本ben非fei常chang低di的de測ce試shi設she備bei便bian可ke以yi獲huo得de精jing度du極ji高gao的de結jie果guo。通tong過guo這zhe種zhong方fang法fa，愛ai特te梅mei爾er便bian能neng夠gou以yi極ji低di的de額e外wai測ce試shi成cheng本ben來lai提ti供gong業ye界jie領ling先xian的de性xing能neng。


圖6基於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dang電dian池chi達da到dao完wan全quan放fang電dian或huo完wan全quan充chong電dian狀zhuang態tai時shi
，電dian壓ya測ce量liang便bian會hui決jue定ding什shen麼me時shi候hou關guan斷duan應ying用yong或huo停ting止zhi對dui電dian池chi充chong電dian。因yin為wei最zui大da和he最zui小xiao電dian池chi電dian壓ya的de安an全quan考kao量liang都dou是shi不bu能neng打da折zhe扣kou的de，故gu須xu內nei置zhi一yi個ge保bao護hu帶dai(guardband)，以(yi)確(que)保(bao)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)能(neng)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)。電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)越(yue)高(gao)，需(xu)要(yao)的(de)保(bao)護(hu)帶(dai)便(bian)越(yue)小(xiao)
，實(shi)際(ji)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)的(de)利(li)用(yong)率(lv)也(ye)會(hui)越(yue)高(gao)。在(zai)給(gei)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)溫(wen)度(du)下(xia)，電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)可(ke)被(bei)校(xiao)準(zhun)，而(er)該(gai)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)將(jiang)極(ji)小(xiao)。當(dang)考(kao)慮(lv)到(dao)溫(wen)度(du)偏(pian)移(yi)時(shi)，測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)的(de)主(zhu)要(yao)來(lai)源(yuan)是(shi)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)漂(piao)移(yi)。圖(tu)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。

yaozuidaxiandudishiyongdianchimeicichongdianhoudenengliang，jinliangyanchangdianchizudeshouming，tongshiyoubuxishengdianchizudeanquanxing
，gaodeceliangjingduzhiguanzhongyao。weilebimianzengjiaxiaozhunchengben
，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於400mAh，在這個例子中相當於10Ah電池的4%以上。愛特梅爾的解決方案由於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。基於這些改進，誤差可被降至20mAh以下，相當於0.2%。