分享一些提高电池安全性和准确性的技巧

1.前言

流入或流出电池组的电流被测量并用于多种不同的目的。例如，如果电动工具的可拆卸电池组意外短路，则可能会流过巨大的电流并导致不安全的情况。如果带有嵌入式电池的设备（例如真空吸尘器）在内部出现故障，可能会超过设计可以安全承受的电流水平，那么大电流也可能类似地流动。这两个例子说明了为什么监控低于过高水平的电流很重要，并包括保护装置（如串联场效应晶体管、继电器或保险丝）以在检测到不安全操作时断开电路并阻止电流流动。大多数设计通常使用比较器来监控电流以实现安全目的，以实现快速检测。

2.电池组测试方法

电池组电流测量对于测量也很重要，例如，确定电池的充电状态或健康状态以及预测系统的剩余容量或运行时间。大多数先进的电池电量计，例如采用 Impedance Track™ 技术或补偿放电终止 (CEDV) 算法的电量计，都依赖库仑计数进行计算。

库仑计数器是一种专用的电流测量 ADC，可连续测量电池组中流动的电流，通常通过测量小型串联检测电阻器两端的差分电压来实现。典型系统中使用的检测电阻通常在 1 mΩ 或更低的范围内，而对于大电流系统，它可能低于 100 µΩ。低阻值是必要的，以避免在高电流系统中产生过多热量，但这也意味着在高负载下，检测电阻器上产生的电压可能被限制在 50 mV 或更低。

大多数电池计量算法在计算中使用流入或流出电池的累积、积分电荷。该累积电荷是通过随时间积分当前测量值来计算的。在这样的计算中，电流测量的偏移很重要，因为它实际上表现为幻象电流，当积分时，它会随着时间的推移产生大量的误差电荷。

以高分辨率测量小电压范围以及低偏移是一项强大的设计挑战，通常会使库仑计数器成为电池监视器中性能最高的子系统。

为应对这一挑战，TI 的 BQ76942（3 秒至 10 秒）和 BQ76952（3 秒至 16 秒）电池监视器集成了一个 16/24 位 delta-sigma 库仑计数器 ADC，该 ADC 可以测量高达 ±200 mV 的差分电压。低边检测电阻。这些器件还包括电流保护功能，可使用比较器检测充电和放电方向上的放电短路和过流情况。

3.电流 ADC 测量

BQ76942 和 BQ76952 提供多个版本的数字化电流测量，针对数据的特定用途进行了优化：

· CC1 Current() – 当设备处于正常模式时（正在进行主动充电或放电时）每 250 毫秒或每 4 秒提供一次电流测量，而处于睡眠模式时（当没有进行主动充电或放电时）。该值由一些基于电流的集成保护以及累积电荷集成使用。CC1 Current()数据通过DASTATUS5()子命令以 16 位格式报告。通过DASTATUS6()子命令使用 64 位格式报告累积的积分电荷。

· CC2 Current() – 在正常模式下每 3 ms 以及在睡眠模式下的每个Power:Sleep:Voltage 时间间隔内提供此电流测量值。使用Current()命令以 16 位格式报告该值，并且还使用 32 位格式提供原始 24 位数据以进行额外的后处理。通过设置配置位，可以将 3 ms 转换更改为 1.5 ms 转换，从而降低转换分辨率。

· CC3 Current() – 此测量值是多个CC2 Current()测量值的平均值，它可以以较慢的输出速率提供更高分辨率的数据以供进一步处理。使用Settings:Configuration:CC3 Samples设置可将平均样本数设置为 2 到 255。所述DASTATUS5（）子在32位格式的报告所得到的数据。

· 所述DASTATUS1〜4（）子命令报告在32位格式电池电压的测量同步原始电流ADC读数。这些值可用于分析某些测量算法中使用的电池阻抗。

BQ76942 和 BQ76952 为电流测量提供可选单位，以适应不同范围的电流水平。例如，当使用 1 mA 单位时，以 16 位格式报告的CC1 Current()可以表示 -32.768 A 和 +32.767 A 之间的电流。如果预期更高的电流，可以将单位更改为 10 mA，然后允许表示范围从 -327.68 A 到 +327.67 A 的电流。

如表 1 所示，Settings:Configuration:DA Configuration:[USER_AMPS_1:0]配置设置设置单位。这些单位适用于CC2 Current()、CC1 Current()和CC3 Current()值。

表 1：当前报告的可编程单位

BQ76942 和 BQ76952 需要一个电流增益值（校准：电流：CC 增益和校准：电流：电容增益）来将检测电阻两端测得的电压转换为电流值。您可以根据系统中使用的检测电阻的标称值设置这些增益值，或者针对每个印刷电路板 (PCB) 校准它们以存储在设备内存中。这些设备还包括板级偏移电流设置，可以为每个 PCB 确定并存储在内存中。可以在生产线上捕获多个测量值（在校准：当前偏移：库仑计数器偏移样本中设置的样本数量），以及存储在校准：当前偏移：电路板偏移中的测量值的总和. 在报告电流时，设备将在按CC 增益缩放之前从每个读数中减去电路板偏移/库仑计数器偏移样本的值。

4.同步电压和电流测量

BQ76942 和 BQ76952 支持使用两个 Δ-Σ ADC 同时测量电流和每个电池电压的同步测量。每个电池电压和同步电流的 24 位原始 ADC 读数存储在器件中，并可作为同步对读出。您可以使用此数据来分析单元阻抗或互连电阻。

5.累积电荷测量

BQ76942和BQ76952不断积分库仑逆流数据，产生累积电荷值；主机可以使用子命令0x0082 RESET_PASSQ()按需重置此积分器。这些设备还包括一个以秒为单位的计时器，它在库仑计数积分的同时重置。将累计充电值除以计时器将计算自计时器启动以来的时间间隔内的平均电流。

累积电荷以两个 32 位值的形式提供。第一个 32 位（有符号）数据以 userAh 为单位报告费用，而第二个 32 位（无符号）数据以 userAh/2 32为单位报告小数费用。64 位累积电荷数据和定时器值均由0x0076 DASTATUS6()子命令报告。

BQ76942 和 BQ76952 电池监视器和保护器实现了一个包括精密库仑计数器的高性能测量子系统。这些设备中的电流测量子系统是高度可配置的，使您能够在速度和分辨率之间进行权衡。提供多个电流读数，每个读数都针对测量、后处理和基于电流的电池组保护进行了优化。