1.前言

鋰基電池系統(tǒng)安全標準的一個關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)運行。這是至關重要的，因為超過此限制的鋰離子電池組過度充電會導致火災或爆炸。

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

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。當電池長時間保持在過低的電壓下時，可能會形成枝晶，從而使電池進一步運行變得危險。最終，準確測量每個電池的電壓至關重要，以確定何時禁用電池組并保持系統(tǒng)安全運行。

2.具體方案

TI 電池監(jiān)視器和保護器系列的最新成員BQ76942（三節(jié)串聯(lián) [3S]，最多 10S）和BQ76952（3S 到 16S）集成了一個 16 位/24 位 delta-sigma 模擬到- 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)，它被多路復用以測量每個單獨的差分電池電壓，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行后處理。

（1）同步電壓和電流測量

BQ76942 和 BQ76952 支持同步測量，以同時測量電流和電池電壓。這在分析電池阻抗時很有用，可用于預測高放電負載下的電池組運行。每個電池電壓和同步電流的 24 位原始 ADC 讀數(shù)成對存儲。電池電壓測量值以毫伏為單位報告，而電池組、PACK 引腳和 LD 引腳的測量電壓以厘伏 (10 mV) 或毫伏為單位報告，如設備數(shù)據(jù)存儲器中的設置 > 配置 > DA 配置中設置的。原始 ADC 讀數(shù)以計數(shù)為單位提供。

（2）電壓測量

由于電壓測量子系統(tǒng)數(shù)字化的不同信號的差分和共模電壓范圍，ADC 的每個輸入都是專門為其在系統(tǒng)中的特定用途而設計的。差分電池電壓測量是最關鍵的，通常會在 ~2 V 和 ~4.5 V 之間變化，較低的端子從 0 V（對于電池組中最低的電池）到高達 67.5 V（對于堆棧中的第 16 個單元格）。BQ76942 和 BQ76952 支持每個電池的差分電池電壓測量范圍為 -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 +55 V，而 BQ76952 支持高達 +80 V。

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

BQ76942 和 BQ76952 包括兩個參考。VREF1 由電壓 ADC 使用。VREF2 由庫侖計數(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。作為檢測器件內(nèi)部故障的診斷測量，ADC 定期測量并報告 REG18 LDO 電壓和 VSS 引腳電壓測量值。

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

數(shù)據(jù)測量的速度取決于設備的電源模式，僅在 NORMAL 或 SLEEP 模式下進行測量。

（3）測量回路 – 正常模式

在 NORMAL 模式下，如圖 1 所示，電壓測量是使用連續(xù)重復循環(huán)進行的，因此在設備完成每組測量后，它會立即啟動一組新的測量。測量回路包含許多定期測量的時隙，如下所示：

· 差分電池電壓串聯(lián)。

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

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

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

圖 1：NORMAL 模式測量回路

在每個插槽同時測量檢測電阻器電流（指定為 CC2）。t meas時隙時間默認值為 3 ms，但您可以通過設置[FASTADC]位將該時間減少到 1.5 ms ，同時降低轉(zhuǎn)換分辨率。BQ76942 (10S) 的測量循環(huán)時間（使用 3 ms 轉(zhuǎn)換和三個或更多熱敏電阻）為 45 ms，BQ76952 (16S) 為 63 ms。

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

圖 2：正常模式測量環(huán)路時序

（4）電壓測量回路 – SLEEP 模式

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

圖 3：睡眠模式測量回路

（5）電池電壓測量

BQ76942 和 BQ76952 測量每個 VC N -VC N-1，無論連接是否用于單元。器件數(shù)據(jù)存儲器中的客戶設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保護。不用于電池連接的輸入可以短路或用于互連測量，如圖 4 所示。

圖 4：使用電池電壓輸入進行互連測量

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

BQ76942 和 BQ76952 中的電池電壓測量值經(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生產(chǎn)線上的電池偏移和增益，以進一步優(yōu)化性能。

結(jié)論

BQ76942 和 BQ76952 中的電壓測量子系統(tǒng)在電池供電系統(tǒng)的安全解決方案中提供關鍵功能，為系統(tǒng)提供必要的信息，以確定何時因電池電壓超出制造商規(guī)格而禁用電池組。電壓測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)化電池組設計，以在各種應用中安全運行系統(tǒng)，從真空吸塵器到電動工具再到電動自行車。