文摘

电源管理系统是一个关键的系统组件需要供电的锂离子电池组。提出了一种完全整合、高精度和高可靠性的集成电路(IC)对锂离子电池的电力管理系统。充分保护电路包括过压,过热,过流电路电压测量精度为0.2 mV和15位内部逐次逼近寄存器(SAR)模拟-数字转换器(ADC)。这种集成电路设计自动保护系统和测量电池的电压、温度和充电或放电电流精度高。它还提供了一个我²C接口与外部微控制器单元(MCU),使其实现进行电池的电压平衡和SOC估计一小时内估计精度为0.1%。

1。介绍

为确保有效和安全操作系统的锂离子电池组,系统可以实时智能监控和保护电池系统是必要的(1]。随着电池制造技术的成熟,电池的容量和电压越来越精确,要求更精确和稳定的管理系统。另外,大型设备,锂离子电池组总是包含大量的细胞,这意味着系统必须有高电压公差。需求包括更高的精度、高稳定性、高电压公差提出巨大的挑战为电源管理系统的设计集成电路。现在有许多相关的ICs可用2]。然而,这些集成电路通常是过于昂贵,很难满足所有可能的要求,如高精度、高稳定性、高电压公差,和高集成级别。例如,[3)提出了一种集成电路具有16位delta-sigma ADC,总测量精度达到2.2 mV。(4]提出了一种集成电路,也可以实现高精度电池电压测量。这些产品不能驱动功率MOSFET,这意味着他们不能切断充电或放电路径没有额外的设备。因此,当有异常情况发生,他们需要外部单片机执行保护操作,这使得电路更加复杂的应用程序。一些其他现代产品也有一些缺陷。

在本文中,一个完全集成的、高可靠性和高精度电源管理系统集成电路提出了锂离子电池的电力系统。它包含了保护电路,内部逐次逼近寄存器(SAR)模拟-数字转换器(ADC),功率mosfet驱动电路,我²C接口。集成电路样品电池的电压、温度信号,和当前的0.2 mV级精度。它还可以检测异常条件包括过电压、超温、充电或放电过电流。此外,IC驱动功率mosfet在充电和放电路径,从而控制系统是连接到充电器或负载。与我²C接口,集成电路可以使用外部的单片机,实现功能细胞平衡和SOC估计。

本文分为六个部分。部分2概述了集成电路的架构。部分3说明一些注意事项在高精度采样电路的设计,以确保控制的准确性。部分4使保护电路设计和算法的一般描述锂电池组管理系统的集成电路中的应用。部分5提供了一些测试结果。部分6总结了集成电路的功能和创新和提供了前景。

我们注意到本文的短会议版本出现在郝et al。5]。我们最初的会议论文集中在保护和安全的系统,没有地址的详细实现电池电压和电流的高精度采样振幅。这手稿地址取样方法的实现使用一个内部高精度SAR ADC,显示更多的实验结果。

详细的性能规格如表所示1。给定的数字都是默认值,用户可以选择其他值通过写寄存器。

2。芯片架构

集成电路保护电路,包含内部SAR ADC,功率mosfet驱动电路,我²C接口,如图1。它可以直接用于电源管理系统,提供细胞电压输入和功率MOSFET驱动输出。它也有其他一些信号输入插脚像外部温度采样,唤醒传感器,输出插脚电池平衡控制CBN输出。图2显示了图的完整的集成电路,集成电路设计监控系列连接细胞高电压公差。所有的电池都是连接到输入集成电路内的水平换档器,所以电压间隔在高水平将被转移到0 ~ 5 V的间隔。然后,这些电压除以二,变成0 ~ 2.5 V的电压区间。上述操作后,可以直接获得电压由ADC和其他一些内部处理电路、过压保护电路等。IC有一些其他电压检测,如外部热敏电阻产生的电压和固定电阻器,内部双极型晶体管所产生的电压,产生的电压检测电阻连接在系列充电和放电路径。这些电压分别用于检测外部温度,内部温度和充电或放电电流大小。集成电路检测到异常条件下使用这些电压和响应迅速,从而确保整个系统的安全运行。集成电路包含一个15位SAR ADC,自检校当IC权力运作。配合一个多路复用器,这种内部SAR ADC可以选择特定的信号通道监控电池电压,电流大小,和外部或内部温度。单片机获得所需数据从这个集成电路,并使用这个执行算法。 In order to guarantee the balance of the battery pack and extend the battery’s life, balancing circuitry is designed to perform passive cell voltage balancing, as shown in Figure3。此外,IC有一些数字块,包括细胞平衡控制逻辑,功率MOSFET控制逻辑,寄存器,和异常条件检测逻辑包括过电流、过电压、超温。大多数模块集成电路都是由一个5 V电压生成在LDO,同时生成一个12 V电压驱动功率场效应管的开关控制充电和放电路径。3.3 V直流调节器输出RGO和RGC连接到单片机的外部电力设备供应,从而使单片机的电流从电池代替集成电路。

3所示。信号采样电路设计

有各种各样的用户可能想要获得的电压信号。因此,ADC的输入必须有能力之间切换不同的电压信号通道。如图1多路复用器,可以选择不同的电压,这是由我控制的²C接口。当选择某一电压进行模拟-数字转换,ADC是激活的。转换完成后,ADC的数字输出是由我读的²C接口和多路复用器选择下一个电压信号自动启动下一个转换周期,从而实现连续转换的电压信号。有三种类型的信号需要转换:电池的电压、充电和放电电流和温度。

3.1。电池的电压采样

如图4,^th电池作为一个例子。这个电池的阳极电压 ,和细胞的阴极的电压等于下一个细胞的阳极 ,这是 。一个运放使用 ,从而产生电流 :

这个电流在电阻” ,“生成电压代表电池”“电压:

ADC的输入范围是0 ~ 2.5 V,但是电池的电压通常是4 V左右。如前所述,电池电压必须除以两个被连接到之前输入的ADC。的电压可以直接由内部SAR ADC转换。

然而,这些运算放大器用于提取电流采样电路从电池。

如果总共有16个细胞,当抽样16^th电池的电压,考虑到放大器输入数字4采用NMOS作为输入对,电力网络和作为地面净。如图5,每一个电池连接到IC。然而,寄生电阻存在于每一个净。考虑到14^th电池的阳极电流从15中提取^th细胞的采样运算放大器和电流注入的16^th细胞的采样运算放大器,它几乎可以抗衡。然而,考虑到15^th电池的阳极,只有电流中提取的16^th细胞的采样运算放大器。黑色的箭头在图如图所示5提取细胞1 ~ 14的阳极和注入电流同时,这意味着没有实际电流从这个节点。因此,寄生电阻不会对采样精度产生影响。然而,细胞15的阳极电流流动,产生电压降在这种寄生电阻,使抽样15和细胞的细胞16不准确。为了取消当前,添加一个虚拟的运放,如图6。使用这些方法,目前被那些运算放大器在采样电路不会影响电池的电压采样的精度。

3.2。充电和放电电流采样

如图7,一个感应电阻器放在充电和放电路径。当充电器或负载连接到电池,有电流通过电阻产生的电压可由集成电路的采样针“当前意义。“这电压信号可以选择内部SAR ADC转换,和电流幅度的数字代码。的通常设置为500Ω。0.2 mV ADC的分辨率,可以0.4 mA有效电流传感精度。

3.3。温度采样

恒流由一个能带隙流过二极管连接PNP型双极型晶体管。由于基极发射极电压有负温度系数,我们可以用这个检测内部温度。如图8双极型晶体管的基极发射极电压直接连接到一个比较器,它可以输出一个警告标志当内部温度高于设定阈值在一定时间。此外,这也可以选择要转换的输入内部SAR ADC、数字输出的内部温度。

此外,这种集成电路输入准备检测外部温度。用户可以连接一个热敏电阻恒定电阻产生的电压代表外部温度。

3.4。15位Self-Calibrated SAR ADC

在现代的应用程序中,高精度控制变得越来越重要。因此,它是必要的,该集成电路提供了一个内部模拟-数字转换器检测所需的信号。一些以前的作品2)提供几个集成并行adc,这样可以同步测量。测量可以以这种方式更快,但它占用太多的IC。在这项工作,因此,公共SAR ADC提供检测序列中所有的电压。

ADC的参考电压为2.5 V,这意味着ADC需要达到的分辨率 至少。的确,一个14-bit SAR ADC已经可以达到的分辨率 。然而,考虑仿真和测试之间的偏差,这种SAR ADC被选中。15位SAR ADC的结构如图9。SAR ADC的实际电路微分结构。为方便描述,本文只给出了单边的示范。在电池管理系统的实践,有可能是负电压需要测量。例如,充电电流取样电阻的检测。在这种情况下,电流从电池的负极。采样电阻的一端连接到负极最低的电池,和另一端的电压是用来计算当前。因此,一个负电压需要转换。在这种情况下,一个额外的电容器连接与电容器并联阵列,其价值是MSB电容器的一半。在跟踪模式,下盘额外的电容器连接到地面和转向一旦ADC输入模式。以来的积极输入比较器的电压是相等的开始和结束之间的模式,电荷由额外的电容器会使检测到电压高于实际价值 。因此,当处理负电压,ADC将执行上述操作,获得一个数字代码的对应值=原电压+ 。通过这种方法,最大的充电电流集成电路可以处理的 。有500米Ω感应电阻,是1.25。在实践中,用户可以使用一个较小的支持更大的充电电流感应电阻。

为了实现高精度的目标,自校准算法,实现了一个可辅助电容器阵列如图9。可以使用此辅助电容器阵列校准输入失调电压比较器和不匹配的电容在主数组。校准过程完成时自动ADC的权力。首先,校准过程中输入补偿电压比较器,主电容阵列的底板是连接到一个恒定电压,和辅助数组样本0 V差分输入电压运行SAR转换,从而可实现数字输出,可以表示的输入失调电压比较器。第二,在校准电容器的不匹配,希望得到的是错误的每一点的实际重量和它的理想体重。然而,理想的重量^th可以被视为 ,这是理论,不能代表实际电路。在实践中,偏差的^th位的重量和低比特的重量的总和获得第一;然后,通过迭代算法计算错误代码。所有校准代码存储在内部寄存器。在转换期间,实时读取这些代码,控制辅助数组操作相应的校准误差的主要数组。因此,内部SAR ADC可以实现高分辨率。

4所示。其他电路和设计算法

4.1。保护电路设计

电源管理系统的另一个非常重要的功能是保护。在这部作品中,集成电路可以检测不同的异常条件和相应的回应。可能的异常条件包括以下:充电或放电过电流,电池过电压和内部和外部的温度过高。保护电路如图10。例如,在充电操作,如果集成电路检测到放电电流大小超过设置的阈值在一段时间内的时间足够长,可以认为放电过电流发生。因此,集成电路将关闭放电MOSFET切断放电路径。延迟时间(±10%的精度)和判断电压阈值(0.2 mV准确性)的每一个变态通过我可以调整²C接口。这些电路提供参考时钟和参考电压是修剪,从而保证延迟时间和阈值电压的准确性。

如图10,有两个背靠背 - - - - - -场效电晶体在充电路径和一个MOSFET在放电路径中。连续发生的 - - - - - -场效应管是必要的。如果只有一个场效应晶体管在充电路径,如图11时,电池的电压低于充电器的电压吗 ,场效应晶体管的源的电压 ,这是负的。然后,场效应晶体管无法关闭即使门的电压“CFET”设置为零。

相反,在图10销DFET控制M1和M2, M3 CFET控制。DFET可以提供上拉和下拉功能,而CFET只能提供牵引功能。因此,当用户需要同时切断充电和放电路径,CFET设置为地面,这意味着栅源电压M1和M2是零。自从CFET没有下拉功能,断开M3,使M3放电形式 。即使M3的电压源是负的,M3的仍然可以排放为零。这保证可靠切断充电和放电的路径。

4.2。电池电压平衡

在电池的处理,由于物理卷的方差,内部危急,和热情况下,单个细胞的电压可能随着时间而疏远(6]。没有细胞的功能平衡,一些电池的电压可以比其他人更高;因此,情况可以有一些电池已经充满电,甚至在带电,而其他人还没有完全充电。然而,充电器必被剪除只有在所有的细胞完全充电,这意味着一些细胞将被不断被完全充电后,可对锂电池造成不可逆转的损害。因此,电池的算法介绍了平衡,最大化的有效能量存储在电池组和延长电池的寿命。

在这部作品中,集成电路控制外部耗散分流电阻消耗的能量的电池电压过高。首先,集成电路得到的大小所有电池的电压从SAR ADC: 。然后,最大值和最小值挑出。如果该值的大于设定阈值(100 mV),电池组可以考虑取消。否则,最高的四个电池电压,相应的CBN针输出高水平打开MOSFET,连接外部电阻器的特定细胞。因此,从这些细胞电阻会消耗额外的能量高的电压。充电或放电的发生,一段时间后,能量消耗的外部电阻可以使这些细胞的电压下降更快或增加较为缓慢,因此将所有的细胞回到平衡通过重复上述步骤。

4.3。SOC估计

估计是不可或缺的可用能源的电池实际使用准确,由于系统的公差范围需要做出相应的安排。使用最广泛的指标来衡量,电荷状态(SOC),通常定义为当前容量的比值的额定容量(7]。代表了最大可以存储在电池充电。因此,SOC可以制定

4.3.1。传统的方法

常用的SOC估计方法包括以下:开路电压(缴纳)方法,库仑计数法、内部阻抗测量方法(8,9)、和智能算法等。10]。库仑计数法很容易进行,从而被广泛嵌入BMS ICs。然而,它遭受不准确的初始SOC值和累积误差。与此同时,尽管缴纳方法的算法非常简单,准确的SOC和缴纳之间的关系仍然是难以衡量。此外,智能算法包括人工神经网络、机器学习,等。这些智能算法需要大量的测试数据和高性能计算单元,在某些应用程序不可用。

(1)缴纳的方法。有一个电池的SOC和缴纳的关系(10),可以来自实验数据。以18650年锂离子电池为例,我们用恒流源电荷从空到满的。每分钟收费必须遵循两个小时休息时间,确保电池的电压稳定。重复此操作,直到电池完全充电。卸货的过程是相同的测试。经过多次实验和平均,SOC和缴纳之间的关系可以被显示在图12根据我们的测试数据。因此,SOC的值可以调节曲线拟合使用一个个数据,实验误差不超过0.1%。然而,电池的电压不一定等于实际缴纳期间操作;相反,它随工作电流的变化。同时,电池充电或放电后需要很长时间才能稳定操作,可一个小时或更长时间。因此,缴纳方法在大多数情况下是不准确的,无法获取实时数据。

(2)库仑计数方法。如果电池的电流恒定在一个时间周期 ,的变化可以通过计算

此外,(5)可以推导出:

这就是所谓的库仑计数方法。

为了便于算法的操作,库仑计数方法可以修改由以下方程:

总之,在电池系统的连续运行,电流强度可以通过ADC定期估计,用于定期更新SOC值。

4.3.2。该方法

在这工作、缴纳和库仑合成计算方法,结合两种方法的优点。因此,该集成电路能够实时估计SOC值精度高。

电池的电压的大小可以直接通过SAR ADC(缴纳)。同时,充电或放电电流强度用于库仑数可以检测到一个采样电阻在充电和放电路径。通过采样电阻压降是由ADC处理计算电流的大小。

在操作过程中,集成电路读取最后一个SOC值在每个计算周期的开始和更新的SOC值库仑实时计数法。除此之外,它可以确定系统是否工作,时间计数器记录时期系统关闭。如果这段时间足够长,这礼物,电池的端电压稳定,几乎等于缴纳,集成电路将缴纳方法适应调整SOC值使用曲线拟合,根据获得的数据图所示12。在重新启动后,IC进行库仑计数操作。因此,该系统可以实时获得准确的SOC值,避免累积误差引起的库仑计数。然而,在图的数据12只是一个参考。SOC和缴纳将随时间之间的关系。也就是说如果一个精确的SOC值要求,SOC的曲线和缴纳必须调整根据使用时间和环境。为了验证这种方法的实验中,我们选择一个现有的ADC芯片与15位精度来构建一个测试系统。缴纳测试使用相同的方式电池的缴纳与SOC的曲线,和当前也发现计算SOC值。通过比较几个实验的结果,总在一小时内估计误差不会超过0.1%。算法的流程图如图13。

5。结果

0.18集成电路设计μm Bi-CMOS过程:“东部- 181 abd18ba”和布局如图14。这IC的大小 。

集成电路的整体功能只是postsimulation验证了。Postsimulation结果表明,集成电路可以检测所有的异常情况,反应迅速,一般通过关闭相应的充电或放电MOSFET。例如,过电压时间延迟是设置为200μ年代,细胞的电压超过4.25 V的阈值为100μ年代。然后,在300年μ年代,过电压已经设置了警告位高;与此同时,集成电路自动切断放电路径,如图15。同样,放电电流超过阈值的2.5 100μ年代;然后,在300年μ年代,已经设置了过载警告位高,如图16。

使温度随时间,如图17。超温时间延迟也设置为200μ年代。当温度超过阈值为200 125°Cμ年代,超温指示器设置高,集成电路将切断充电和放电路径。

图18显示了结果的集成电路选择电池的电压4.255 V执行模拟数字转换和读取获得的代码。考虑到参考电压2.5 V (ADC)获得的数字结果是2.1275 V。这个值是选择电池电压的一半,表明它所代表的实际大小4.255 V。ADC验证的准确性。

拟议中的self-calibrated SAR ADC分别被制造和测试。静态特征和动态特征给出了数据19和20.。黑暗是1到1.4 LSB, INL是-2.9到3.6 LSB。动态特性测试在720年的过度增殖采样率和37 kHz频率输入信号。当输入的一半大小,SNDR 76.82 dB,从中我们可以推断出完整的输入级,SNDR 82.84 dB和第三(有效)的比特数是13.5。

表2而使这项工作提供了一个比较类似的集成电路产业。表3提供了静态电流的分解。表4提供了一个通用的总结这项工作。

6。结论与展望

总的来说,一个完整的电源管理系统集成电路完全整合,高精度,高可靠性的电池组可以监控和保护系统演示,实现降低应用成本。IC保护电池过电压,过电流,充电和放电时超温0.2 mV歧视准确性。SAR ADC集成,集成电路可以得到精确的大小每个电池的电压,内部或外部温度和充电或放电电流为0.2 mV电压精度。集成电路使用一个外部的单片机,能够执行电池电压的平衡和帮助用户获取SOC值估计精度为0.1%。验证后,集成电路确保系统的安全运行与锂离子电池组。在工作后,单片机将与模拟前端集成,使其成为完整的电源管理IC智能自控的锂离子电池组。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们感谢icp 2019委员会接收前研究论文(5),可以检索https://ieeexplore.ieee.org/document/9105561。这项工作得到了广东省的主要研发项目,中国(批准号2019 b010143002)。