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。
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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BMUzhongpianyiliangpiaoyiyinqidecanyuwuchagengdiyuliangzihuaji。xiaochupianyiliangdehaochuzaiyunenggoujingquecelianghenxiaodedianliu，erduiyupianyiliangdadeqijian，jiudezaimouyidianshangtingzhidianliuceliang，zhuanerkaishiyucedianliu。youxieBMU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
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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)之zhi間jian必bi須xu進jin行xing大da幅fu折zhe中zhong。最zui近jin
，大da多duo數shu設she備bei製zhi造zao商shang都dou在zai尋xun找zhao降jiang低di耗hao電dian量liang，並bing盡jin可ke能neng保bao持chi低di功gong耗hao模mo式shi的de方fang法fa，使shi確que保bao小xiao電dian流liu獲huo得de精jing確que測ce量liang的de技ji術shu變bian得de愈yu發fa重zhong要yao。
　　
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

帶dai隙xi基ji準zhun電dian壓ya是shi獲huo得de高gao精jing度du結jie果guo的de關guan鍵jian因yin素su。來lai自zi固gu件jian預yu期qi值zhi的de實shi際ji基ji準zhun電dian壓ya值zhi偏pian差cha會hui轉zhuan化hua為wei測ce量liang結jie果guo的de增zeng益yi誤wu差cha，而er在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，這zhe是shi電dian池chi電dian壓ya測ce量liang和he大da電dian流liu測ce量liang中zhong最zui主zhu要yao的de誤wu差cha源yuan。

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℃shidejingdujigao。raner，qulvxingzhuangheweizhibianhuadebuchangyexiangdangchangjian
，zhejiuchanshengyuwendubianhuayouguandedafubianhua
，shidezaigaohediwenshidianchidianyaceliangbugoujingque。ciwai，yebukenengjiancehexianshichuquxianxingzhuangxianzhubutongdeliqundian。
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新穎的基準電壓校準方法

為(wei)了(le)在(zai)各(ge)種(zhong)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)下(xia)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)

，愛(ai)特(te)梅(mei)爾(er)增(zeng)加(jia)了(le)一(yi)個(ge)額(e)外(wai)的(de)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)校(xiao)準(zhun)機(ji)製(zhi)，用(yong)以(yi)調(tiao)節(jie)帶(dai)隙(xi)基(ji)準(zhun)源(yuan)的(de)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)。這(zhe)個(ge)校(xiao)準(zhun)步(bu)驟(zhou)將(jiang)調(tiao)節(jie)曲(qu)率(lv)的(de)形(xing)狀(zhuang)和(he)位(wei)置(zhi)，並(bing)顯(xian)著(zhu)改(gai)善(shan)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，如(ru)圖(tu)4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。

愛ai特te梅mei爾er則ze開kai發fa出chu了le一yi種zhong新xin穎ying的de方fang法fa，能neng以yi盡jin量liang少shao的de額e外wai成cheng本ben來lai執zhi行xing第di二er個ge測ce試shi步bu驟zhou。傳chuan統tong上shang，第di二er步bu測ce試shi需xu要yao高gao精jing度du測ce量liang設she備bei和he複fu雜za的de計ji算suan操cao作zuo。此ci外wai，對dui每mei一yi個ge待dai測ce器qi件jian
，第di一yi步bu測ce試shi的de數shu據ju必bi須xu存cun儲chu，然ran後hou在zai第di二er步bu測ce試shi中zhong恢hui複fu。這zhe些xie要yao求qiu都dou會hui提ti高gao測ce試shi成cheng本ben。愛ai特te梅mei爾er的de專zhuan有you技ji術shu充chong分fen利li用yongBM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)，yiquebaosuoyouqingkuangxiadounenganquangongzuo。dianyaceliangjingduyuegao，xuyaodebaohudaibianyuexiao，shijidianchirongliangdeliyonglvyehuiyuegao。zaigeidingdedianyahewenduxia，dianyaceliangkebeixiaozhun，ergaitiaojianxiadedianyaceliangwuchajiangjixiao。dangkaolvdaowendupianyishi，celiangwuchadezhuyaolaiyuanshijizhundianyapiaoyi。tu5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。

要yao最zui大da限xian度du地di使shi用yong電dian池chi每mei次ci充chong電dian後hou的de能neng量liang，盡jin量liang延yan長chang電dian池chi組zu的de壽shou命ming

，同tong時shi又you不bu犧xi牲sheng電dian池chi組zu的de安an全quan性xing，高gao的de測ce量liang精jing度du至zhi關guan重zhong要yao。為wei了le避bi免mian增zeng加jia校xiao準zhun成cheng本ben
，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%。