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高精度60V电池电量监测系统这样打造!

发布时间:2023-06-16 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】围绕电池电量监测,本文由ADI代理商骏龙科技的工程师Boris Wang为大家介绍ADI LTC2944 高至 60V 精准库仑计方案,助力打造高性能电池监测系统,涵盖电池设备的普及性、准确电量监测的重要性以及电量测量的原理,以及对 LTC2944 的内部结构、工作原理以及具体的库仑计方案进行深入解析。


电池设备的普及应用


从手机电脑、电动自行车、电动工具,再到新能源汽车、医疗仪器、工业设备,电池已经成为越来越多电子产品的标配部件。尤其是轻便的锂离子电池的诞生,让所有设备脱离电源线成为了可能。这些设备可以显示当前的剩余电量或运行时间,这是产品使用中最重要的用户体验之一。


随着时间的推移,我们能够明显感受到,电池始终是会越来越不耐用的。有时候,这会形成一种 “续航焦虑”,例如,虽然设备显示剩余 “10%” 的电量,然而它可能在下一秒就立刻关机了。在很多高功率多电池的设备中,如果用户没有足够及时发现电池电量耗尽,就可能会出现十分危急或严重的后果,例如临床医疗仪器的突然断电会危及病人生命、工厂仪器的突然宕机会造成产线紧急关停。


如下图 (图1) 所示,为某型号锂离子电池的循环寿命与放电深度的关系,可以明显看到,充放电约深度,电池可使用的寿命越短。在日常的产品设计中,我们很难去约束客户的充放电习惯,因此电池寿命往往是不可提前预测的,必须通过行而有效的电气测量手段测量。


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图1 锂电池的循环寿命与放电深度关系


如何精准地测量电池剩余电量、预测电池真实续航能力,是电子工程界一直致力解决的技术问题。由于电池是一种不稳定的电化学系统,对它的准确电参数采集就至关重要,实现电量监测功能显然需要精密且专用的模拟电路方案。


高集成化电量监测


除了充电、保护和电池平衡电路外,电池电量测量也是智能多电池系统中常见的功能之一。无论是什么样的电池供电设备,涉及电池的电路系统都面临着一系列独特的设计挑战,因为电池的电气性质总是在变化。例如,电池的最大容量 (也称为健康状态或 SOH) 和自放电速率总是随着时间的推移而降低,而充电和放电速率也会随着温度的变化而变化。精心设计的电池系统可以不断地动态处理这些参数变化,以便为使用者提供一致且准确的电池性能变现参数。对应到实际体验中,我们就可以准确输出一些指标,让产品更具 “高级感”,包括:


●  当前剩余充电时间

●  当前系统续航时间

●  预期电池寿命 (或剩余充电次数) 


从目前电子行业的主流技术来看,准确的电池电量测量功能,需要一个精准的电池库仑计 IC 和相关的电池专用模型,最终系统是需要形成一个关键参数——荷电状态 (SOC)。SOC 是指电池使用一段时间或长期搁置不用后,剩余容量与其全新且完全充电状态时的容量的比值,它的取值在 0 至 1 之间。我们可以简单地理解为,SOC 是当前电池容量占最大容量的百分比。虽然市面上有一些电量计 IC 集成了电池模型和算法,甚至直接输出 SOC 的值,但仔细分析就会发现,这些 IC 往往会以牺牲准确性为代价,以简化 SOC 的估计算法。


如下图 (图2) 所示为 ADI 的一款型号 LTC2944 的库仑计,它可以支持到最高 60V 的电池电压,它提供的是最基本的精准库仑计方案,再由用户根据实际使用的电池模型进行电量估计运算,实现电量计功能。这是一种严谨的技术提供方式,将不确定因素开放给用户,以更自由地使用器件,兼容更多高精确度应用,下文将进行进一步探讨。


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图2 LTC2944 60V库仑计方案


电量测量的原理


目前的研究表明,精确的库仑计数、电压、电流和温度是准确估计 SOC 的先决条件,迄今为止,行业内能够做到的 SOC 估计误差最小为 5%。如下图 (图3) 所示是各种电池的典型充放电曲线,在传统的电压型电量估计方法中,最困难之处就在平坦充放电区间的电量估计,因为这时电池电量的变化只会带来很小电压变化,于是会出现系统在很长一段时间内报告 75% 的 SOC,然后却突然下降到 15% 的 SOC。


库伦计数的方式,能够很精确地确定当前电池处于曲线哪个位置,尤其是平坦区的位置。具体的方法是:


●  当电池充满电时,用户将库仑计数器初始化为已知的电池容量。

●  在释放库仑时递减计数或在充电库仑时递增计数 (能适应只充一部分电的情况)。


这种方案最大的优势在于,这种电量计算方式不需要知道电池的化学成分。由于 ADI LTC2944 集成了库仑计数器,因此这款 IC 可以轻松地用于多种电池设备,与电池的化学性质无关。


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图3 各种类型电池的典型充放电曲线


在电路系统得到库伦计数数据之后,软件算法上,要根据电池模型进行数学换算,以确定 SOC 的值,如下图 (图4) 所示的是一种经典的电池模型,涉及到串联并联的多个参数,实际上,这里还没有考虑比较重要的温度参数影响。模型分析与换算的方法是专业领域知识,在此不进行赘述,但可以确定的是,这个模型最基本要获知的就是电压、电流以及库仑计数的参数数据。


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图4 经典的电池模型


精准的库仑计方案


上文中提到了准确进行 SOC 分析的前提,是准确得到电压、电流、温度、库仑计数参数。LTC2944 正是这样一款能够单芯片获取所有参数的平台方案。它的外围电路也十分简单,易于设计开发,将高精度的需求保障集成在芯片内部。


LTC2944 内部结构和工作原理


如下图 (图5) 所示为 LTC2944 的工作原理。从物理意义来说,电荷 (库仑) 是电流在时间层面的积分。LTC2944 通过监测采样电阻两端产生的电压来测量电荷,这个电压范围是 ±50mV,芯片对其的精度高达 99%。其中差分电压被施加到自动调零的差分模拟积分器以换算电荷。


当积分器输出斜坡至高参考电平和低参考电平 (REFHI 和 REFLO) 时,开关将会切换以反转电压变化方向。控制电路将观察开关的状态和电压变化方向以确定极性。接下来,可编程预分频器允许用户将积分时间增加 1 到 4096 倍。随着预分频器的每次下溢出或上溢出,累积电荷寄存器 (ACR) 最终递增或递减一个计数单位。


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图5 LTC2944 的工作原理


值得注意的是,LTC2944 库仑计数器中使用的模拟积分器引入了最小的差分偏移电压,因此最大限度地减少了对总电荷误差的影响。许多库仑计 IC 对感测电阻器两端的电压进行模数转换,并累积转换结果以推断电荷。在这样的方案中,差分偏移电压可能是误差的主要来源,尤其是在小信号读取期间。


例如,假设一个电量计方案中,是基于 ADC 原理的库仑计数器,并具有 20uV 的最大指定差分电压偏移水平,则该电压偏移对 1mV 的输入信号进行数字积分后,偏移导致的充电误差为 2%。相比之下,使用 LTC2944 的模拟积分器,电荷误差仅为 0.04%,小了 50 倍。


极高的精度表现


当库仑计工作在平坦充放电曲线的区间时,电流和温度是系统需要获取的关键参数。这种设计的挑战在于,电池的端子电压 (带载时) 会受到电池电流和温度的显著影响。因此,必须对电压读数进行校正补偿,补偿因子是与电池电流、开路电压 (空载时)、温度成比例的。在操作过程中为了测量开路电压,就需要断开电池与负载的连接,这是不切实际的,因此实际操作中是根据电流和温度曲线调整端子电压读数。


由于获得高 SOC 精度是系统最终设计目标,LTC2944 使用 14 位无延迟 ΔΣADC 用于测量电压、电流和温度,精度分别高达 1.3% 和 ±3℃。事实上,LTC2944 的性能实际表现还要更好。如下图 (图6) 显示了 LTC2944 中的某些精度值是如何随温度和电压而变化的,主要体现了以下三个规律特点。


●  当测量电压时,ADC 总的未调整误差小于 ±0.5%,且在感测电压范围内较恒定

●  当测量电流时,ADC 增益误差通常在工作温度下小于 ±0.5%

●  对于任何给定的感测电压,温度误差仅随温度变化约 ±1 摄氏度


所有这些精度指标加在一起,就会显著影响 SOC 的精度,这就是为什么电压、电流和温度的监测对电池电量计应用很重要。


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图6 LTC2944 各种精度表现图


LTC2944 在测量电压、电流和温度时,提供四种 ADC 操作模式。在自动模式下,芯片以几毫秒的周期连续执行 ADC 转换,而扫描模式是每 10 秒转换一次,然后进入睡眠状态。在手动模式下,芯片对命令执行一次转换,然后进入睡眠状态。每当芯片处于睡眠模式时,静态电流都会降至 80uA。LTC2944 的整个模拟部分也可以完全关闭,以将静态电流进一步降低到 15uA。这让 LTC2944 在系统中额外耗电的存在感进一步降低。


为何没有电池模型?


用户可以使用数字 I2C 接口从 LTC2944 读取电池电量、电压、电流和温度。用户还可以通过 I2C 配置几个 16 位寄存器,读取状态、控制开/关,并为每个参数设置可报警的高阈值和低阈值。警报系统消除了连续软件轮询的需要,并释放 I2C 总线和主机来执行其他任务。此外,ALCC 引脚既可用作 SMBus 警报输出,也配置为充满电或放空电的提示信号。有了所有这些数字功能,有人可能仍然会问,“为什么 LTC2944 没有内置电池模型或 SOC 估计算法?” 答案很简单,为了追求极致的准确性。


虽然具有内置电池配置文件和算法的电量计芯片可以简化设计,但它们往往是根据实际电池做的不充分或不相关的模型,并在这个过程中牺牲了 SOC 的准确性。例如,用户可能被迫使用由未知来源或未知温度范围内生成的充放电曲线;可能不支持精确的电池化学性质,这会对 SOC 精度造成更大影响。


关键是,精确的电池建模通常考虑许多变量,并且足够复杂,因此用户可以在软件中对自己的电池进行建模,以获得最高水平的 SOC 精度,而不是依赖于不准确的通用内置模型。这些内置模型也使电量计功能变得不灵活,难以重复设计到其他应用中。实际调试开发中,在软件中进行 SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。


此外,高电压范围也是 LTC2944 与当今市场上其他类似功能产品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的电池直接供电,也可以由高达 60V 的满电电池组供电,解决了从低功耗便携式电子产品到高压电动汽车的任何应用。LTC2944 的外围电路也十分精简,这可以进一步降低 LTC2944 电路的总功耗并提高精度。


总结


电池电量监测是一项复杂的电路设计工作,因为有许多相互依赖的参数会影响 SOC。行业内普遍认可的是,准确的库仑计数,加上电压、电流和温度读数,是估计 SOC 的最准确方法。LTC2944 库仑计提供所有这些参数的测量功能,并且故意规避了内部电池建模功能,允许用户在特定应用软件中实现自己的相关配置文件和算法。此外,测量和配置寄存器可以通过 I2C 接口轻松实现,支持最高 60V 的电池系统,并且可用于任何化学成分的电池,最重要的是,它的准确度是行业内无与伦比的。



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