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用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量

發(fā)布時(shí)間:2021-06-22 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著時(shí)間流逝,我們對(duì)每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點(diǎn)熟悉了,而且知道對(duì)設(shè)備報(bào)告的數(shù)字信賴到什么程度,例如剩余 10% 電量。在較大功率的多節(jié)電池應(yīng)用中,如果用戶發(fā)現(xiàn)沒(méi)有充足的電量,情形可能更加緊急,例如使用電動(dòng)自行車、電池備份系統(tǒng)、電動(dòng)工具或醫(yī)療設(shè)備等情況。
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
 
引言
 
我們很多人都會(huì)用到電池供電設(shè)備,這類設(shè)備會(huì)顯示當(dāng)前還有多少電量或運(yùn)行時(shí)間,特別是因?yàn)?,我們被家里的眾多小器具所包圍。從電?dòng)刮胡刀到平板電腦,我們依靠各種各樣的電池電量指示器,幫助確定是否以及怎樣繼續(xù)使用這些設(shè)備。隨著時(shí)間流逝,我們對(duì)每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點(diǎn)熟悉了,而且知道對(duì)設(shè)備報(bào)告的數(shù)字信賴到什么程度,例如剩余 10% 電量。在較大功率的多節(jié)電池應(yīng)用中,如果用戶發(fā)現(xiàn)沒(méi)有充足的電量,情形可能更加緊急,例如使用電動(dòng)自行車、電池備份系統(tǒng)、電動(dòng)工具或醫(yī)療設(shè)備等情況。備用電池組也許并不總是現(xiàn)成可用,或者設(shè)備需要在特定的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行,因此我們會(huì)重視準(zhǔn)確的電池電量測(cè)量,或者重視評(píng)估在某一時(shí)刻電池或電池組還有多少電量。
 
除了充電、保護(hù)和電池電量平衡電路,電池電量測(cè)量一般也是智能化多節(jié)電池系統(tǒng)中會(huì)有的多種功能之一。不管提供什么功能,電池系統(tǒng)都面對(duì)一套獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),因?yàn)殡姵氐碾姎馓匦允冀K處于變化之中。例如,電池的最大容量 (也稱為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率始終隨時(shí)間流逝而降低,同時(shí)充電和放電速率隨溫度改變而變化。設(shè)計(jì)良好的電池系統(tǒng)盡可能多地連續(xù)應(yīng)對(duì)這類參數(shù)漂移,以向最終用戶提供準(zhǔn)確度一致的電池性能標(biāo)準(zhǔn),例如充電時(shí)間、估計(jì)電量或預(yù)期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))。
 
簡(jiǎn)言之,準(zhǔn)確的電池電量測(cè)量需要準(zhǔn)確的電池電量計(jì) IC 和一個(gè)相關(guān)和針對(duì)電池的模型,以最終為系統(tǒng)提供人們最渴望的電池電量測(cè)量參數(shù)  ─  充電狀態(tài) (SOC),或者以最大容量的百分?jǐn)?shù)表示的當(dāng)前電池電量。盡管市場(chǎng)上有集成了電池模型和算法以直接估計(jì) SOC 的電池電量計(jì),但是經(jīng)過(guò)抽絲剝繭,我們發(fā)現(xiàn),這類設(shè)備的 SOC 估計(jì)方法往往過(guò)于簡(jiǎn)化,代價(jià)是極大地?fù)p害了準(zhǔn)確度。此外,這類設(shè)備通常僅適用于特定的電池化學(xué)組成,需要額外的外部組件以連接高電壓?,F(xiàn)在來(lái)看一下圖 1 所示的凌力爾特 LTC2944,這是一款簡(jiǎn)便的 60V 電池電量計(jì),專門(mén)為準(zhǔn)確測(cè)量單節(jié)或多節(jié)電池的電量提供了最基本的功能。
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
圖 1:LTC2944 60V 電池電量計(jì)
 
依靠庫(kù)倫計(jì)數(shù)
 
目前的研究顯示,精確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)以及精確的電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計(jì) SOC 的前提條件,迄今為止在這樣的前提條件下,所產(chǎn)生的最低誤差為 5%。這些參數(shù)使我們能夠準(zhǔn)確地確定電池位于充電或放電曲線的哪一點(diǎn)上,這時(shí)庫(kù)倫計(jì)數(shù)不僅使電壓讀數(shù)更可靠,而且有助于區(qū)分曲線的任何平坦區(qū)域。圖 2 顯示了不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線。庫(kù)倫計(jì)數(shù)有助于避開(kāi)以下情形:設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間誤導(dǎo)性地報(bào)告 75% SOC,然后突然降至 15% SOC。這種情形往往發(fā)生在僅通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)估算 SOC 的設(shè)備中。為了對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù),用戶要將庫(kù)倫計(jì)數(shù)器初始化至一個(gè)已知的、電池滿充電時(shí)的電池容量,然后當(dāng)放電時(shí)倒計(jì)數(shù),或充電時(shí)正計(jì)數(shù) (以解釋部分充電)。這種方法的優(yōu)勢(shì)是,電池化學(xué)組成不必是已知的。因?yàn)?LTC2944 集成了一個(gè)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器,所以這款器件可以非常方便地復(fù)制和粘貼到多種設(shè)計(jì)中,而不受電池化學(xué)組成的影響。
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
圖 2:不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線
 
我們來(lái)看一下圖 3 中 LTC2944 怎樣對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)。請(qǐng)記住,電量是電流對(duì)時(shí)間的積分。LTC2944 通過(guò)監(jiān)視檢測(cè)電阻器兩端呈現(xiàn)的電壓,以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測(cè)量電量,檢測(cè)電壓范圍為 ±50mV,這里差分電壓加到一個(gè)自動(dòng)調(diào)零的差分模擬積分器上以計(jì)算電量。當(dāng)積分器輸出斜坡變化到高基準(zhǔn)電平和低基準(zhǔn)電平 (REFHI 和 REFLO) 時(shí),開(kāi)關(guān)切換以改變斜坡方向。然后控制電路觀察開(kāi)關(guān)狀態(tài)和斜坡方向以確定極性。接下來(lái),可編程預(yù)分比例器允許用戶按照 1 至 4096 的因子增加積分時(shí)間。隨著預(yù)分比例器每次下溢或上溢,累積電量寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個(gè)數(shù)。
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
圖 3:LTC2944 以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測(cè)量電量
 
值得一提的是,LTC2944 的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器中使用的模擬積分器引入的差分偏移電壓最小,因此最大限度減小了對(duì)總體電量誤差的影響。很多庫(kù)倫計(jì)數(shù)電池電量計(jì)對(duì)檢測(cè)電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以計(jì)算電量。在這種方法中,差分偏移電壓可能是主要的誤差源,尤其是在獲取小信號(hào)讀數(shù)時(shí)。例如,考慮一個(gè)電池電量計(jì),該電量計(jì)采用基于 ADC 的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器,最大規(guī)定差分電壓偏移為 20µV,當(dāng)以數(shù)字方式對(duì) 1mV 輸入信號(hào)進(jìn)行積分時(shí),偏移導(dǎo)致的電量誤差會(huì)是 2%。相比之下,使用 LTC2944 的模擬積分器時(shí),偏移導(dǎo)致的電量誤差僅為 0.04%,為前者的 1/50!
 
回到基本要素 - 電壓、電流和溫度
 
如果庫(kù)倫計(jì)數(shù)負(fù)責(zé)增強(qiáng)電壓讀數(shù)的可靠性和區(qū)分充電或放電曲線的平坦區(qū)域,那么電流和溫度就是負(fù)責(zé)獲取最相關(guān)的曲線以開(kāi)始測(cè)量的參數(shù)。挑戰(zhàn)是,電池的端電壓 (連接到負(fù)載時(shí)的電壓) 受到電池電流和溫度的顯著影響。因此,電壓讀數(shù)必須用校正項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償,這些校正項(xiàng)與電池電流和開(kāi)路電壓 (與負(fù)載斷接時(shí)的電壓) 隨溫度的變化是成比例的。因?yàn)閮H為了測(cè)量開(kāi)路電壓而在運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)電池和負(fù)載的連接是不切實(shí)際的,所以好的做法是,至少逐個(gè)電流和溫度曲線調(diào)節(jié)端電壓讀數(shù)。
 
既然高 SOC 準(zhǔn)確度是終極設(shè)計(jì)目標(biāo),所以 LTC2944 采用了一個(gè) 14 位無(wú)延遲增量累加 (No Latency ΔΣ™) ADC,分別以高達(dá) 1.3% 和 ±3°C 的保證準(zhǔn)確度測(cè)量電壓、電流和溫度。實(shí)際上,LTC2944 的典型性能好得多。圖 4 中的曲線顯示,LTC2944 的某些有價(jià)值的準(zhǔn)確度數(shù)字是怎樣隨溫度和電壓而變化的。圖 4a 顯示,測(cè)量電壓時(shí),隨檢測(cè)電壓變化,ADC 總的未調(diào)整誤差一般在 ±0.5% 以內(nèi),而且相當(dāng)恒定。類似地,圖 4b 顯示,測(cè)量電流時(shí),隨溫度變化,ADC 增益誤差一般在 ±0.5% 以內(nèi)。最后,圖 4c 顯示,就任何給定檢測(cè)電壓而言,溫度誤差在溫度變化時(shí)僅變化約 ±1°C。所有這些準(zhǔn)確度數(shù)字加起來(lái),可能很容易損害 SOC 準(zhǔn)確度,這就是為什么在眾多性能規(guī)格中要注意特定電池電量計(jì)測(cè)量電壓、電流和溫度的準(zhǔn)確程度,而這點(diǎn)是很重要。
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量 
圖 4a:測(cè)量電壓時(shí) ADC 的增益誤差 
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
圖 4b:測(cè)量電流時(shí) ADC 的增益誤差 
 
用高準(zhǔn)確度 60V 電量計(jì)進(jìn)行電量測(cè)量
圖 4c:溫度誤差隨溫度的變化
 
測(cè)量電壓、電流和溫度時(shí),LTC2944 提供 4 種 ADC 運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式,該器件每隔幾毫秒連續(xù)執(zhí)行 ADC 轉(zhuǎn)換,在掃描模式,該器件每 10 秒轉(zhuǎn)換一次,然后進(jìn)入休眠模式。在手動(dòng)模式,該器件按照命令進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換,然后進(jìn)入休眠模式。無(wú)論何時(shí),只要該器件進(jìn)入休眠模式,靜態(tài)電流就被最大限度降至 80µA。LTC2944 的整個(gè)模擬部分還可以完全關(guān)斷,以進(jìn)一步將靜態(tài)電流降至 15µA,因?yàn)橛脩糇畈幌胍囊患?,就是電池電量?jì)令人啼笑皆非地消耗大量電池功率。
 
便利的接口
 
用戶可以通過(guò)數(shù)字 I2C 接口,從 LTC2944 讀出電池電量、電壓、電流和溫度。用戶還可以通過(guò) I2C,配置幾個(gè) 16 位寄存器,這樣就可以讀出狀態(tài)、控制接通/斷開(kāi)并針對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)定可報(bào)警的高低門(mén)限。有了報(bào)警系統(tǒng),就無(wú)需軟件連續(xù)輪詢,因此 I2C 總線和主機(jī)有時(shí)間去執(zhí)行其他任務(wù)。此外,ALCC 引腳既用作 SMBus 警報(bào)輸出端,又用作可連至電池充電電路充電完成輸出端的充電完成輸入端。有了所有這些數(shù)字功能,有人可能仍然會(huì)問(wèn):“為什么 LTC2944 中沒(méi)有置入電池電量曲線或容量 / SOC 估計(jì)算法?” 答案很簡(jiǎn)單  ─  這完全歸結(jié)為 (也許不出所料) 準(zhǔn)確度問(wèn)題。
 
盡管內(nèi)置電池電量曲線和算法的電池電量計(jì)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),但是作為真實(shí)世界電池行為的模型,這些曲線和算法常常次數(shù)不足或缺乏相關(guān)性,在測(cè)量過(guò)程中草率地犧牲了 SOC 準(zhǔn)確度。例如:用戶可能被迫使用由未規(guī)定的來(lái)源或在未知溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的通用充電和放電曲線;曲線和算法也許不支持用戶使用的電池化學(xué)組成,這對(duì) SOC 準(zhǔn)確度造成了又一個(gè)打擊。重點(diǎn)是,準(zhǔn)確的電池建模一般會(huì)考慮很多變量,而且足夠復(fù)雜,這樣對(duì)用戶才是有意義的,用戶可以用軟件對(duì)自己的電池建模,以獲得最高的 SOC 準(zhǔn)確度,而不是依靠不準(zhǔn)確的通用內(nèi)置模型。這類內(nèi)置模型還使電池電量計(jì)不夠靈活,難以在不同設(shè)計(jì)中重用。換個(gè)說(shuō)法,更改軟件比更改硬件容易得多,與更換也需要配置的電池電量計(jì)相比,更改特定于應(yīng)用的代碼容易得多。
 
如果通過(guò)非常方便的 I2C 接口提供所有這些必要的電池測(cè)量參數(shù)和無(wú)與倫比的準(zhǔn)確度還不夠的話,那么高壓功能就是使 LTC2944 真正不同于今天市場(chǎng)上其他電池電量計(jì)之處了。LTC2944 可直接從低至 3.6V 的電池到高達(dá) 60V 的滿充電電池組供電,從而滿足了從低功率便攜式電子產(chǎn)品到大功率電動(dòng)型汽車的任何應(yīng)用的需求。無(wú)需在電源或測(cè)量引腳上使用額外的電平移位電路而使設(shè)計(jì)復(fù)雜化,電池 (或電池組) 與 LTC2944 之間可以直接連接,這極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。最大限度減少外部組件數(shù)量也降低了總體功耗,并提高了準(zhǔn)確度,因?yàn)椴淮嬖陔娮璺謮浩鞯冉M件。
 
結(jié)論
電池電量測(cè)量本身是一門(mén)藝術(shù),因?yàn)橛泻芏嘞嗷ヒ蕾嚨摹⒂绊?SOC 的參數(shù)。全球的專家們都認(rèn)為,準(zhǔn)確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)與電壓、電流和溫度讀數(shù)相結(jié)合,為估計(jì) SOC 提供了最準(zhǔn)確的方法。LTC2944 電池電量計(jì)提供所有這些基本測(cè)量,并有意不包括內(nèi)部電池模型,從而允許用戶在特定于應(yīng)用的軟件中采用對(duì)自己有意義的電量曲線和算法。此外,通過(guò) I2C 非常容易訪問(wèn)測(cè)量及配置寄存器,同時(shí)高達(dá) 60V 的多節(jié)電池可以直接與 LTC2944 連接。對(duì)任何數(shù)量、任何化學(xué)組成的電池進(jìn)行電量測(cè)量從來(lái)沒(méi)有這么容易,或者更重要的是,從來(lái)沒(méi)有這么準(zhǔn)確。
  
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