提高电池监控系统中的电压测量精度，保证锂电池安全工作

1.前言

锂基电池系统安全标准的一个关键要求是电池只能在电池制造商提供的指定电压范围内运行。这是至关重要的，因为超过此限制的锂离子电池组过度充电会导致火灾或爆炸。

过度充电在实践中是一个非常真实的危险 - 只需将一个电池组连接到专为不同系统设计的充电器，该系统可能会尝试充电到超出该特定电池组允许的电压。为了确保整个系统的安全，电池管理系统必须监控电池组中每个电池的电压，并在任何电池电压达到电池制造商允许的最大值时停止充电。

同样，如果任何电池电压低于制造商指定的最低电压，也必须禁用电池组。当电池长时间保持在过低的电压下时，可能会形成枝晶，从而使电池进一步运行变得危险。最终，准确测量每个电池的电压至关重要，以确定何时禁用电池组并保持系统安全运行。

2.具体方案

TI 电池监视器和保护器系列的最新成员BQ76942（三节串联 [3S]，最多 10S）和BQ76952（3S 到 16S）集成了一个 16 位/24 位 delta-sigma 模拟到- 数字转换器 (ADC)，它被多路复用以测量每个单独的差分电池电压，以及系统中其他选定的电压。大多数电压使用 16 位值报告，但 24 位原始 ADC 数据也可用，以防您需要更高的分辨率进行后处理。

（1）同步电压和电流测量

BQ76942 和 BQ76952 支持同步测量，以同时测量电流和电池电压。这在分析电池阻抗时很有用，可用于预测高放电负载下的电池组运行。每个电池电压和同步电流的 24 位原始 ADC 读数成对存储。电池电压测量值以毫伏为单位报告，而电池组、PACK 引脚和 LD 引脚的测量电压以厘伏 (10 mV) 或毫伏为单位报告，如设备数据存储器中的设置 > 配置 > DA 配置中设置的。原始 ADC 读数以计数为单位提供。

（2）电压测量

由于电压测量子系统数字化的不同信号的差分和共模电压范围，ADC 的每个输入都是专门为其在系统中的特定用途而设计的。差分电池电压测量是最关键的，通常会在 ~2 V 和 ~4.5 V 之间变化，较低的端子从 0 V（对于电池组中最低的电池）到高达 67.5 V（对于堆栈中的第 16 个单元格）。BQ76942 和 BQ76952 支持每个电池的差分电池电压测量范围为 -0.2 V 至 +5.5 V。BQ76942 支持电池输入引脚上的最大电压范围高达 +55 V，而 BQ76952 支持高达 +80 V。

堆栈顶部（最顶部的电池输入引脚）、PACK 引脚和 LD 引脚的电压也相对于 VSS 进行了数字化。电阻分压器（仅在进行测量时启用）测量这些电压。这些引脚支持的电压范围对于 BQ76942 来说也高达 +55 V，对于 BQ76952 来说高达 +80 V。

BQ76942 和 BQ76952 包括两个参考。VREF1 由电压 ADC 使用。VREF2 由库仑计数器 ADC、内部 REG18 低压降稳压器和器件内的其他模块使用。作为检测器件内部故障的诊断测量，ADC 定期测量并报告 REG18 LDO 电压和 VSS 引脚电压测量值。

电压 ADC 还测量基极发射极电压 (ΔV BE )的内部变化，用于计算内部芯片温度，以及几个附加引脚上的电压，这些引脚可以连接到外部热敏电阻以测量电池和场效应晶体管温度。我在我的文章“提高电池监控系统中的温度测量精度”中更详细地描述了这个温度测量子系统。

数据测量的速度取决于设备的电源模式，仅在 NORMAL 或 SLEEP 模式下进行测量。

（3）测量回路 – 正常模式

在 NORMAL 模式下，如图 1 所示，电压测量是使用连续重复循环进行的，因此在设备完成每组测量后，它会立即启动一组新的测量。测量回路包含许多定期测量的时隙，如下所示：

· 差分电池电压串联。

· 每个回路上的堆栈顶部、PACK 或 LD 引脚电压之一（每个参数每三个回路测量一次）。

· 一个用于内部温度、REG18 电压或 VSS（每三个回路测量一个参数）的插槽。

最多三个用于热敏电阻或通用 ADC 引脚测量的插槽（每个插槽每 1 到 3 个回路测量一次）。

图 1：NORMAL 模式测量回路

在每个插槽同时测量检测电阻器电流（指定为 CC2）。t meas时隙时间默认值为 3 ms，但您可以通过设置[FASTADC]位将该时间减少到 1.5 ms ，同时降低转换分辨率。BQ76942 (10S) 的测量循环时间（使用 3 ms 转换和三个或更多热敏电阻）为 45 ms，BQ76952 (16S) 为 63 ms。

可以使用[LOOP_SLOW]设置插入未使用的电压测量槽以降低功耗，从而降低测量环路的速度，如图 2 所示。

图 2：正常模式测量环路时序

（4）电压测量回路 – SLEEP 模式

BQ76942 和 BQ76952 可配置为当系统电流低于可编程阈值时自动转换到睡眠模式。这通过降低电压测量的频率来降低功耗。当器件处于睡眠模式时，电压、温度和电流测量在每个电源：睡眠：电压时间间隔（1 秒到 255 秒）中执行，如图 3 所示。

图 3：睡眠模式测量回路

（5）电池电压测量

BQ76942 和 BQ76952 测量每个 VC N -VC N-1，无论连接是否用于单元。器件数据存储器中的客户设置决定了哪些引脚连接到单元。那些未连接到电池的引脚不用于相关保护。不用于电池连接的输入可以短路或用于互连测量，如图 4 所示。

图 4：使用电池电压输入进行互连测量

在确定是否禁用电池组时，您必须考虑电池电压测量的准确性。例如，如果在电池电压超过 4.350 V 时必须禁用电池组，但电压测量的精度仅在 ±25 mV 以内，则电池管理控制器需要在报告的测量值超过 4.325 V 时禁用电池组，如果误差为 -25 mV。然而，实际误差可能改为+25 mV，这意味着实际电池电压仅为4.300 V。因此，在这种情况下，由于测量不准确，多达50 mV的可用电池容量不可用。显然，电池电压的电压测量越准确，浪费的电池容量就越少。

BQ76942 和 BQ76952 中的电池电压测量值经过工厂调整以满足以下规格：

· ±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，这些器件支持可选校准生产线上的电池偏移和增益，以进一步优化性能。

结论

BQ76942 和 BQ76952 中的电压测量子系统在电池供电系统的安全解决方案中提供关键功能，为系统提供必要的信息，以确定何时因电池电压超出制造商规格而禁用电池组。电压测量的高性能及其微调精度和高速数据收集，使您能够优化电池组设计，以在各种应用中安全运行系统，从真空吸尘器到电动工具再到电动自行车。