分享一些提高電池安全性和準(zhǔn)確性的技巧

1.前言

流入或流出電池組的電流被測量并用于多種不同的目的。例如，如果電動(dòng)工具的可拆卸電池組意外短路，則可能會(huì)流過巨大的電流并導(dǎo)致不安全的情況。如果帶有嵌入式電池的設(shè)備（例如真空吸塵器）在內(nèi)部出現(xiàn)故障，可能會(huì)超過設(shè)計(jì)可以安全承受的電流水平，那么大電流也可能類似地流動(dòng)。這兩個(gè)例子說明了為什么監(jiān)控低于過高水平的電流很重要，并包括保護(hù)裝置（如串聯(lián)場效應(yīng)晶體管、繼電器或保險(xiǎn)絲）以在檢測到不安全操作時(shí)斷開電路并阻止電流流動(dòng)。大多數(shù)設(shè)計(jì)通常使用比較器來監(jiān)控電流以實(shí)現(xiàn)安全目的，以實(shí)現(xiàn)快速檢測。

2.電池組測試方法

電池組電流測量對于測量也很重要，例如，確定電池的充電狀態(tài)或健康狀態(tài)以及預(yù)測系統(tǒng)的剩余容量或運(yùn)行時(shí)間。大多數(shù)先進(jìn)的電池電量計(jì)，例如采用 Impedance Track? 技術(shù)或補(bǔ)償放電終止 (CEDV) 算法的電量計(jì)，都依賴庫侖計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

庫侖計(jì)數(shù)器是一種專用的電流測量 ADC，可連續(xù)測量電池組中流動(dòng)的電流，通常通過測量小型串聯(lián)檢測電阻器兩端的差分電壓來實(shí)現(xiàn)。典型系統(tǒng)中使用的檢測電阻通常在 1 mΩ 或更低的范圍內(nèi)，而對于大電流系統(tǒng)，它可能低于 100 μΩ。低阻值是必要的，以避免在高電流系統(tǒng)中產(chǎn)生過多熱量，但這也意味著在高負(fù)載下，檢測電阻器上產(chǎn)生的電壓可能被限制在 50 mV 或更低。

大多數(shù)電池計(jì)量算法在計(jì)算中使用流入或流出電池的累積、積分電荷。該累積電荷是通過隨時(shí)間積分當(dāng)前測量值來計(jì)算的。在這樣的計(jì)算中，電流測量的偏移很重要，因?yàn)樗鼘?shí)際上表現(xiàn)為幻象電流，當(dāng)積分時(shí)，它會(huì)隨著時(shí)間的推移產(chǎn)生大量的誤差電荷。

以高分辨率測量小電壓范圍以及低偏移是一項(xiàng)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，通常會(huì)使庫侖計(jì)數(shù)器成為電池監(jiān)視器中性能最高的子系統(tǒng)。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，TI 的 BQ76942（3 秒至 10 秒）和 BQ76952（3 秒至 16 秒）電池監(jiān)視器集成了一個(gè) 16/24 位 delta-sigma 庫侖計(jì)數(shù)器 ADC，該 ADC 可以測量高達(dá) ±200 mV 的差分電壓。低邊檢測電阻。這些器件還包括電流保護(hù)功能，可使用比較器檢測充電和放電方向上的放電短路和過流情況。

3.電流 ADC 測量

BQ76942 和 BQ76952 提供多個(gè)版本的數(shù)字化電流測量，針對數(shù)據(jù)的特定用途進(jìn)行了優(yōu)化：

· CC1 Current() – 當(dāng)設(shè)備處于正常模式時(shí)（正在進(jìn)行主動(dòng)充電或放電時(shí)）每 250 毫秒或每 4 秒提供一次電流測量，而處于睡眠模式時(shí)（當(dāng)沒有進(jìn)行主動(dòng)充電或放電時(shí)）。該值由一些基于電流的集成保護(hù)以及累積電荷集成使用。CC1 Current()數(shù)據(jù)通過DASTATUS5()子命令以 16 位格式報(bào)告。通過DASTATUS6()子命令使用 64 位格式報(bào)告累積的積分電荷。

· CC2 Current() – 在正常模式下每 3 ms 以及在睡眠模式下的每個(gè)Power:Sleep:Voltage 時(shí)間間隔內(nèi)提供此電流測量值。使用Current()命令以 16 位格式報(bào)告該值，并且還使用 32 位格式提供原始 24 位數(shù)據(jù)以進(jìn)行額外的后處理。通過設(shè)置[FASTADC]配置位，可以將 3 ms 轉(zhuǎn)換更改為 1.5 ms 轉(zhuǎn)換，從而降低轉(zhuǎn)換分辨率。

· CC3 Current() – 此測量值是多個(gè)CC2 Current()測量值的平均值，它可以以較慢的輸出速率提供更高分辨率的數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步處理。使用Settings:Configuration:CC3 Samples設(shè)置可將平均樣本數(shù)設(shè)置為 2 到 255。所述DASTATUS5（）子在32位格式的報(bào)告所得到的數(shù)據(jù)。

· 所述DASTATUS1?4（）子命令報(bào)告在32位格式電池電壓的測量同步原始電流ADC讀數(shù)。這些值可用于分析某些測量算法中使用的電池阻抗。

BQ76942 和 BQ76952 為電流測量提供可選單位，以適應(yīng)不同范圍的電流水平。例如，當(dāng)使用 1 mA 單位時(shí)，以 16 位格式報(bào)告的CC1 Current()可以表示 -32.768 A 和 +32.767 A 之間的電流。如果預(yù)期更高的電流，可以將單位更改為 10 mA，然后允許表示范圍從 -327.68 A 到 +327.67 A 的電流。

如表 1 所示，Settings:Configuration:DA Configuration:[USER_AMPS_1:0]配置設(shè)置設(shè)置單位。這些單位適用于CC2 Current()、CC1 Current()和CC3 Current()值。

表 1：當(dāng)前報(bào)告的可編程單位

BQ76942 和 BQ76952 需要一個(gè)電流增益值（校準(zhǔn)：電流：CC 增益和校準(zhǔn)：電流：電容增益）來將檢測電阻兩端測得的電壓轉(zhuǎn)換為電流值。您可以根據(jù)系統(tǒng)中使用的檢測電阻的標(biāo)稱值設(shè)置這些增益值，或者針對每個(gè)印刷電路板 (PCB) 校準(zhǔn)它們以存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)存中。這些設(shè)備還包括板級(jí)偏移電流設(shè)置，可以為每個(gè) PCB 確定并存儲(chǔ)在內(nèi)存中?？梢栽谏a(chǎn)線上捕獲多個(gè)測量值（在校準(zhǔn)：當(dāng)前偏移：庫侖計(jì)數(shù)器偏移樣本中設(shè)置的樣本數(shù)量），以及存儲(chǔ)在校準(zhǔn)：當(dāng)前偏移：電路板偏移中的測量值的總和. 在報(bào)告電流時(shí)，設(shè)備將在按CC 增益縮放之前從每個(gè)讀數(shù)中減去電路板偏移/庫侖計(jì)數(shù)器偏移樣本的值。

4.同步電壓和電流測量

BQ76942 和 BQ76952 支持使用兩個(gè) Δ-Σ ADC 同時(shí)測量電流和每個(gè)電池電壓的同步測量。每個(gè)電池電壓和同步電流的 24 位原始 ADC 讀數(shù)存儲(chǔ)在器件中，并可作為同步對讀出。您可以使用此數(shù)據(jù)來分析單元阻抗或互連電阻。

5.累積電荷測量

BQ76942和BQ76952不斷積分庫侖逆流數(shù)據(jù)，產(chǎn)生累積電荷值；主機(jī)可以使用子命令0x0082 RESET_PASSQ()按需重置此積分器。這些設(shè)備還包括一個(gè)以秒為單位的計(jì)時(shí)器，它在庫侖計(jì)數(shù)積分的同時(shí)重置。將累計(jì)充電值除以計(jì)時(shí)器將計(jì)算自計(jì)時(shí)器啟動(dòng)以來的時(shí)間間隔內(nèi)的平均電流。

累積電荷以兩個(gè) 32 位值的形式提供。第一個(gè) 32 位（有符號(hào)）數(shù)據(jù)以 userAh 為單位報(bào)告費(fèi)用，而第二個(gè) 32 位（無符號(hào)）數(shù)據(jù)以 userAh/2 32為單位報(bào)告小數(shù)費(fèi)用。64 位累積電荷數(shù)據(jù)和定時(shí)器值均由0x0076 DASTATUS6()子命令報(bào)告。

BQ76942 和 BQ76952 電池監(jiān)視器和保護(hù)器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)包括精密庫侖計(jì)數(shù)器的高性能測量子系統(tǒng)。這些設(shè)備中的電流測量子系統(tǒng)是高度可配置的，使您能夠在速度和分辨率之間進(jìn)行權(quán)衡。提供多個(gè)電流讀數(shù)，每個(gè)讀數(shù)都針對測量、后處理和基于電流的電池組保護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化。