電池管理應(yīng)用中精確測(cè)量和溫度穩(wěn)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(yīng)等優(yōu)勢(shì)，因而逐漸成為使用充電電池的便攜應(yīng)用產(chǎn)品的常用技術(shù)。

電池管理的常見難題
在選擇鋰離子電池時(shí)，必須對(duì)之予以正確管理，以實(shí)現(xiàn)安全工作，并獲得每循環(huán)周期最高容量和最長(zhǎng)壽命，而通常采用的方法就是加入電池管理單元(BMU)。要實(shí)現(xiàn)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(jīng)常處于其生產(chǎn)規(guī)格之內(nèi)。這意味著在設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，必須能夠考慮到最壞條件。以充電端電壓為例，標(biāo)準(zhǔn)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(huì)建議先取得BMU中的電壓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差，并用充電端電壓減去4倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。例如，若BMU測(cè)得該電壓為4.25V，而標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槌潆婋妷涸礁?，容量也就越大。同樣，?dāng)電池超出推薦的充電截止電壓(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時(shí)，電池的磨損最大，所以要延長(zhǎng)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(cè)量的重要性
精確的電壓測(cè)量精度能夠定義電池所需的EOCV 和 EODV安全裕度(safety margin)。測(cè)量越精確，保持在推薦限值之內(nèi)所需的安全裕度越小。于是，電壓測(cè)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(fēng)險(xiǎn)。所以，電荷流的測(cè)量精度對(duì)保證電荷計(jì)算精度來說也是十分關(guān)鍵的。

必須考慮到溫度偏移
在固定溫度下獲得良好的測(cè)量精度并不困難，若在裝配電池組時(shí)已對(duì)BMU進(jìn)行了校準(zhǔn)便更容易。但實(shí)際情況中，電池組通常都會(huì)經(jīng)受各種溫度變化，所以溫度漂移是區(qū)分真正高性能BMU和普通BMU的關(guān)鍵參數(shù)。
在溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓測(cè)量精度的關(guān)鍵參數(shù)是ADC增益漂移 (gain drift)和基準(zhǔn)電壓漂移(voltage reference drift)。對(duì)于4200 mV的電壓，電壓測(cè)量值偏移量一般小于3μV，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這是可忽略不計(jì)的。
要精確測(cè)量電荷流(charge flow)，還要考慮到眾多其他參數(shù)，以盡可能地減小感測(cè)電阻上的電壓降。校準(zhǔn)后的ADC偏移量、ADC零點(diǎn)漂移、ADC增益漂移、基準(zhǔn)電壓漂移和時(shí)基漂移，都對(duì)精度有著重大影響。對(duì)于小電流來說，與偏移量有關(guān)的參數(shù)最重要；而在電流較大的情況下，增益誤差、基準(zhǔn)電壓和時(shí)基則開始成為主要影響因素。

溫度偏移可以通過對(duì)若干個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)來做出一定程度上補(bǔ)償，不過這種方案成本高昂，通常不為大多數(shù)電池組生產(chǎn)商采納。因此，一個(gè)好的BMU必須具有最小的溫度偏移，而且電池組設(shè)計(jì)人員必須考慮到BMU的最壞變化情況，以確保設(shè)計(jì)的安全性。

電流測(cè)量：電量計(jì)精度的基礎(chǔ)
要實(shí)現(xiàn)良好的鋰離子電池電量計(jì)，最有效方法是精確跟蹤電池內(nèi)外的電荷流。在一定程度上，可利用適當(dāng)?shù)碾妷簻y(cè)量來補(bǔ)償因開路電壓(OCV)和充電狀態(tài)(SoC)之間因恒定關(guān)系引起的電荷流誤差。一些最先進(jìn)的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性，這使得利用OCV測(cè)量來校正電流測(cè)量誤差更加困難。而只要電壓測(cè)量有一點(diǎn)小小誤差，就可能導(dǎo)致SoC計(jì)算的重大偏差。所以，只有確保出色的電流測(cè)量和精確的時(shí)基才能獲得最佳精度。

圖1采用標(biāo)準(zhǔn)偏移校準(zhǔn)方法進(jìn)行校準(zhǔn)之后的典型偏移量