提高電池監(jiān)控系統(tǒng)中的電壓測(cè)量精度，保證鋰電池安全工作

1.前言

鋰基電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)關(guān)鍵要求是電池只能在電池制造商提供的指定電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。這是至關(guān)重要的，因?yàn)槌^此限制的鋰離子電池組過度充電會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。

過度充電在實(shí)踐中是一個(gè)非常真實(shí)的危險(xiǎn) - 只需將一個(gè)電池組連接到專為不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的充電器，該系統(tǒng)可能會(huì)嘗試充電到超出該特定電池組允許的電壓。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的安全，電池管理系統(tǒng)必須監(jiān)控電池組中每個(gè)電池的電壓，并在任何電池電壓達(dá)到電池制造商允許的最大值時(shí)停止充電。

同樣，如果任何電池電壓低于制造商指定的最低電壓，也必須禁用電池組。當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間保持在過低的電壓下時(shí)，可能會(huì)形成枝晶，從而使電池進(jìn)一步運(yùn)行變得危險(xiǎn)。最終，準(zhǔn)確測(cè)量每個(gè)電池的電壓至關(guān)重要，以確定何時(shí)禁用電池組并保持系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.具體方案

TI 電池監(jiān)視器和保護(hù)器系列的最新成員BQ76942（三節(jié)串聯(lián) [3S]，最多 10S）和BQ76952（3S 到 16S）集成了一個(gè) 16 位/24 位 delta-sigma 模擬到- 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)，它被多路復(fù)用以測(cè)量每個(gè)單獨(dú)的差分電池電壓，以及系統(tǒng)中其他選定的電壓。大多數(shù)電壓使用 16 位值報(bào)告，但 24 位原始 ADC 數(shù)據(jù)也可用，以防您需要更高的分辨率進(jìn)行后處理。

（1）同步電壓和電流測(cè)量

BQ76942 和 BQ76952 支持同步測(cè)量，以同時(shí)測(cè)量電流和電池電壓。這在分析電池阻抗時(shí)很有用，可用于預(yù)測(cè)高放電負(fù)載下的電池組運(yùn)行。每個(gè)電池電壓和同步電流的 24 位原始 ADC 讀數(shù)成對(duì)存儲(chǔ)。電池電壓測(cè)量值以毫伏為單位報(bào)告，而電池組、PACK 引腳和 LD 引腳的測(cè)量電壓以厘伏 (10 mV) 或毫伏為單位報(bào)告，如設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的設(shè)置 > 配置 > DA 配置中設(shè)置的。原始 ADC 讀數(shù)以計(jì)數(shù)為單位提供。

（2）電壓測(cè)量

由于電壓測(cè)量子系統(tǒng)數(shù)字化的不同信號(hào)的差分和共模電壓范圍，ADC 的每個(gè)輸入都是專門為其在系統(tǒng)中的特定用途而設(shè)計(jì)的。差分電池電壓測(cè)量是最關(guān)鍵的，通常會(huì)在 ~2 V 和 ~4.5 V 之間變化，較低的端子從 0 V（對(duì)于電池組中最低的電池）到高達(dá) 67.5 V（對(duì)于堆棧中的第 16 個(gè)單元格）。BQ76942 和 BQ76952 支持每個(gè)電池的差分電池電壓測(cè)量范圍為 -0.2 V 至 +5.5 V。BQ76942 支持電池輸入引腳上的最大電壓范圍高達(dá) +55 V，而 BQ76952 支持高達(dá) +80 V。

堆棧頂部（最頂部的電池輸入引腳）、PACK 引腳和 LD 引腳的電壓也相對(duì)于 VSS 進(jìn)行了數(shù)字化。電阻分壓器（僅在進(jìn)行測(cè)量時(shí)啟用）測(cè)量這些電壓。這些引腳支持的電壓范圍對(duì)于 BQ76942 來說也高達(dá) +55 V，對(duì)于 BQ76952 來說高達(dá) +80 V。

BQ76942 和 BQ76952 包括兩個(gè)參考。VREF1 由電壓 ADC 使用。VREF2 由庫(kù)侖計(jì)數(shù)器 ADC、內(nèi)部 REG18 低壓降穩(wěn)壓器和器件內(nèi)的其他模塊使用。作為檢測(cè)器件內(nèi)部故障的診斷測(cè)量，ADC 定期測(cè)量并報(bào)告 REG18 LDO 電壓和 VSS 引腳電壓測(cè)量值。

電壓 ADC 還測(cè)量基極發(fā)射極電壓 (ΔV BE )的內(nèi)部變化，用于計(jì)算內(nèi)部芯片溫度，以及幾個(gè)附加引腳上的電壓，這些引腳可以連接到外部熱敏電阻以測(cè)量電池和場(chǎng)效應(yīng)晶體管溫度。我在我的文章“提高電池監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度測(cè)量精度”中更詳細(xì)地描述了這個(gè)溫度測(cè)量子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)測(cè)量的速度取決于設(shè)備的電源模式，僅在 NORMAL 或 SLEEP 模式下進(jìn)行測(cè)量。

（3）測(cè)量回路 – 正常模式

在 NORMAL 模式下，如圖 1 所示，電壓測(cè)量是使用連續(xù)重復(fù)循環(huán)進(jìn)行的，因此在設(shè)備完成每組測(cè)量后，它會(huì)立即啟動(dòng)一組新的測(cè)量。測(cè)量回路包含許多定期測(cè)量的時(shí)隙，如下所示：

· 差分電池電壓串聯(lián)。

· 每個(gè)回路上的堆棧頂部、PACK 或 LD 引腳電壓之一（每個(gè)參數(shù)每三個(gè)回路測(cè)量一次）。

· 一個(gè)用于內(nèi)部溫度、REG18 電壓或 VSS（每三個(gè)回路測(cè)量一個(gè)參數(shù)）的插槽。

最多三個(gè)用于熱敏電阻或通用 ADC 引腳測(cè)量的插槽（每個(gè)插槽每 1 到 3 個(gè)回路測(cè)量一次）。

圖 1：NORMAL 模式測(cè)量回路

在每個(gè)插槽同時(shí)測(cè)量檢測(cè)電阻器電流（指定為 CC2）。t meas時(shí)隙時(shí)間默認(rèn)值為 3 ms，但您可以通過設(shè)置[FASTADC]位將該時(shí)間減少到 1.5 ms ，同時(shí)降低轉(zhuǎn)換分辨率。BQ76942 (10S) 的測(cè)量循環(huán)時(shí)間（使用 3 ms 轉(zhuǎn)換和三個(gè)或更多熱敏電阻）為 45 ms，BQ76952 (16S) 為 63 ms。

可以使用[LOOP_SLOW]設(shè)置插入未使用的電壓測(cè)量槽以降低功耗，從而降低測(cè)量環(huán)路的速度，如圖 2 所示。

圖 2：正常模式測(cè)量環(huán)路時(shí)序

（4）電壓測(cè)量回路 – SLEEP 模式

BQ76942 和 BQ76952 可配置為當(dāng)系統(tǒng)電流低于可編程閾值時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到睡眠模式。這通過降低電壓測(cè)量的頻率來降低功耗。當(dāng)器件處于睡眠模式時(shí)，電壓、溫度和電流測(cè)量在每個(gè)電源：睡眠：電壓時(shí)間間隔（1 秒到 255 秒）中執(zhí)行，如圖 3 所示。

圖 3：睡眠模式測(cè)量回路

（5）電池電壓測(cè)量

BQ76942 和 BQ76952 測(cè)量每個(gè) VC N -VC N-1，無論連接是否用于單元。器件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的客戶設(shè)置決定了哪些引腳連接到單元。那些未連接到電池的引腳不用于相關(guān)保護(hù)。不用于電池連接的輸入可以短路或用于互連測(cè)量，如圖 4 所示。

圖 4：使用電池電壓輸入進(jìn)行互連測(cè)量

在確定是否禁用電池組時(shí)，您必須考慮電池電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如，如果在電池電壓超過 4.350 V 時(shí)必須禁用電池組，但電壓測(cè)量的精度僅在 ±25 mV 以內(nèi)，則電池管理控制器需要在報(bào)告的測(cè)量值超過 4.325 V 時(shí)禁用電池組，如果誤差為 -25 mV。然而，實(shí)際誤差可能改為+25 mV，這意味著實(shí)際電池電壓僅為4.300 V。因此，在這種情況下，由于測(cè)量不準(zhǔn)確，多達(dá)50 mV的可用電池容量不可用。顯然，電池電壓的電壓測(cè)量越準(zhǔn)確，浪費(fèi)的電池容量就越少。

BQ76942 和 BQ76952 中的電池電壓測(cè)量值經(jīng)過工廠調(diào)整以滿足以下規(guī)格：

· ±5 mV，2 V 至 ~5 V，25°C。

· ±10 mV，2 V 至 ~5 V，0°C 至 +60°C。

· ±15 mV，-0.2 V 至 ~5.5 V，-40°C 至 +85°C。

此外，這些器件支持可選校準(zhǔn)生產(chǎn)線上的電池偏移和增益，以進(jìn)一步優(yōu)化性能。

結(jié)論

BQ76942 和 BQ76952 中的電壓測(cè)量子系統(tǒng)在電池供電系統(tǒng)的安全解決方案中提供關(guān)鍵功能，為系統(tǒng)提供必要的信息，以確定何時(shí)因電池電壓超出制造商規(guī)格而禁用電池組。電壓測(cè)量的高性能及其微調(diào)精度和高速數(shù)據(jù)收集，使您能夠優(yōu)化電池組設(shè)計(jì)，以在各種應(yīng)用中安全運(yùn)行系統(tǒng)，從真空吸塵器到電動(dòng)工具再到電動(dòng)自行車。