——愛(ài)特梅爾公司產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Odd Jostein Svendsli談便攜式應(yīng)用充電電池技術(shù)

鋰離子電池具有單位體積/重量的能量密度高、電壓高、自放電率低，以及無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，目前已逐漸成為使用充電電池的便攜應(yīng)用產(chǎn)品的首選技術(shù)。廠(chǎng)商在電池管理方面也遇到了一些挑戰(zhàn)，為此我們采訪(fǎng)了愛(ài)特梅爾公司產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Odd Jostein Svendsli，請(qǐng)他談了便攜式應(yīng)用充電電池技術(shù)方面需要關(guān)注的一些問(wèn)題。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于確保電能效率，又不影響安全性

對(duì)電池組來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于確保用戶(hù)可以使用全部電能，而不會(huì)影響安全性。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，重要的是具備良好的測(cè)量精度，并確保充電/放電部分的損耗盡可能的小。愛(ài)特梅爾的解決方案是使用偏移非常小的很穩(wěn)定的庫(kù)侖計(jì) (coloumb counter)，使用很小的感測(cè)電阻器，以及高效的高側(cè)N溝道FET驅(qū)動(dòng)器，確保在安全FET中的電能容量損失較小。在選擇鋰離子電池時(shí)，必須進(jìn)行正確的管理，以實(shí)現(xiàn)安全工作，并獲得每循環(huán)周期較高容量和較長(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)，必須能夠考慮到較壞條件。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(guò)規(guī)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。

無(wú)論是在電池、電池組或設(shè)備層面上，鋰離子電池組都具有很多的安全機(jī)制。所有這些安全機(jī)制都具有各自的安全裕量，由于這些裕量必需很高以補(bǔ)償較差情形下的運(yùn)作性能，這將會(huì)減小電池每次放電循環(huán)的總體電量。愛(ài)特梅爾專(zhuān)注于消除這些較差的情形，因此我們能夠減小安全裕量，而不會(huì)給安全性帶來(lái)任何影響，這樣就可以提升所有應(yīng)用的電能和電池使用壽命。

充分考慮溫度漂移

電池工作溫度對(duì)電池壽命的影響很大，如果電池發(fā)熱，當(dāng)時(shí)的可用電量將會(huì)增加，然而，電量的增加是短暫的，電池的老化效應(yīng)亦會(huì)隨著溫度的升高而大大加快。由于難以在電池內(nèi)部做工作來(lái)改善溫度曲線(xiàn)，所以終端設(shè)備制造商必需將電池放置在遠(yuǎn)離高溫環(huán)境的位置，以確保電池具有較長(zhǎng)的使用壽命。

電池管理器件的溫度偏移是確保系統(tǒng)安全性的較大問(wèn)題之一，鑒于電池管理器件使用的參考電壓的特性，電壓測(cè)量的精度會(huì)受到溫度偏移的影響，因而安全裕量必需增加以確保安全運(yùn)作。愛(ài)特梅爾使用一種專(zhuān)利方法以消除這種溫度偏移，從而確保在溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)作，減小安全裕量。

溫度漂移的正確測(cè)量

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)的話(huà)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，所以溫度偏移是區(qū)分真正高性能BMU和性能一般的普通BMU的關(guān)鍵參數(shù)。

此外，要精確測(cè)量電荷流，還要考慮到眾多其它參數(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(lái)說(shuō)，與偏移量有關(guān)的參數(shù)較重要；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(kāi)始成為主要影響因素。

為了在各種溫度變化下獲得更好的性能，愛(ài)特梅爾開(kāi)發(fā)了一種新穎的基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)方法，增加了一個(gè)額外的基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)機(jī)制，用以調(diào)節(jié)帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。這個(gè)校準(zhǔn)步驟將調(diào)節(jié)曲率的形狀和位置，并顯著改善隨溫度變化的穩(wěn)定性，在-20 –至85°C溫度范圍內(nèi)的較大變化是0.5%。因此，只要利用成本非常低的測(cè)試設(shè)備便可以獲得精度極高的結(jié)果。通過(guò)這種方法，愛(ài)特梅爾便能夠以極低的額外測(cè)試成本來(lái)提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。

高測(cè)量精度要對(duì)較大限度地使用電池每次充電后的能量，延長(zhǎng)電池組的壽命，同時(shí)又不犧牲電池組的安全性至關(guān)重要。為了避免增加校準(zhǔn)成本，必須盡可能提高BMU的固有精度。此外，通過(guò)能夠充分利用MCU板上資源的靈活新穎的校準(zhǔn)技術(shù)，便可以較小成本實(shí)現(xiàn)良好的基準(zhǔn)，消除溫度的影響。

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