锂离子电池管理中的电流感应考虑因素（一）

电池管理概述

电池管理包括两个主要功能：1.充电适配器，和2.电池电量计量和电池侧保护。图1中的框图描绘了整个系统。在这些系统的每一个中，电流感应在从电池中提取最大性能，寿命和安全性方面起着至关重要的作用。

图1.具有充电适配器和电池管理的通用电池管理系统。

电池管理 - 设备侧电路

精确的燃油计量和系统管理（所有图片均由ON SEMI提供）

对于电量计算锂离子电池，随着时间的推移电荷积分是库仑计数和确定SoC（充电状态）的常用方法。在其它电池技术中，开路电压已被用作电量计算，但锂离子电池在放电周期内显示更加恒定的电压，这不能提供关于充电状态的可靠信息，如图2所示。

图2.锂离子电池的广义放电曲线表明，通过电压确定电荷并不是理想的精确度。感应电流使库仑计数更准确地替代充电状态测量。

假设从已知状态开始，库仑计数将放电电流积分以计数从电池移除的库仑和充电电流以计算库仑恢复的数量。很明显，这是一个受益于电流检测中最佳精度的过程。本文的目的不是详述库仑计数的无数细节，而是主要关注电流感应在电池管理中的作用。

锂离子电池的另一个方面是电池管理的重要性。锂离子电池对电压，电流和温度施加严格的操作限制，以避免不良后果，例如电池寿命缩短，内部短路或电池损坏。

电池管理系统示例

图3是典型锂离子电池组中的电路的框图。它示出了用于锂离子电池的安全保护电路和电量计算（电容测量装置）的示例。安全电路包括一个控制背靠背FET开关的锂离子保护器。可以打开这些开关以保护电池组免受过压，欠压和过流等故障的影响。该图还包括一个温度敏感的三端保险丝，它将由于长时间的过流或过热而打开，或者可以通过冗余保护电路强制打开，以防出现主保护电路无法响应的故障。打开这个保险丝是最后的手段，因为它将使包装永久禁用。

电量监测电路通过分流电阻和电流检测放大器测量电流来测量充电和放电电流。集成电流测量值以确定库仑容量的变化。此外，仪表测量温度和电压，评估气体计量算法以确定电池的可用容量，并计算主机所需的空载时间和其他值。可用容量以及其他测量和计算结果可用并传输到系统控制。

图3.典型锂离子电池组中器件侧电路的框图。

电流检测的具体考虑因素

选择电阻（见图4和图5）

选择电阻器值，精度和物理尺寸取决于预期要测量的电流。电阻值越大，测量可能越准确，但是大电阻值也会导致更大的电流损耗，从而降低效率。对于必须具有低损耗的低功率电池供电设备，通常使用长度约为1毫米，数值为百分之一或千分之一欧姆的电阻器。

虽然电阻通常被认为是一个简单的双端器件，但为了精确测量，使用四端电流检测电阻，电阻两端有两个端子。这为应用电路的电流路径提供了两个端子，并且一对用于读出放大器的电压检测路径。这种四端子设置，也称为开尔文传感，确保了传感的准确连接，更高的精度转换为更准确的库仑计数。

精确的电阻安装和连接对于获得最佳精度至关重要。目前分流器有两大类，标准分流器和开尔文连接分流器。标准分流器是最经济的，但必须特别注意连接方法。图4详细介绍了正确和错误连接的一般情况，但在可能的情况下，请查看分流器制造商的文献，或咨询制造商以获得理想的连接。

图4.虽然这描述了非开尔文分流连接的一般建议，但如果可用，请查看制造商的文献以获取任何具体建议

从连接的角度来看，开尔文连接分流器使得准确性变得容易。专用连接引脚使这成为可能，图5描绘了标准和开尔文连接分流器的图片以及连接图。

图5.这里显示的是标准和开尔文连接分流器（照片由SEI Stackpole提供），带有连接示意图。

偏移电压

当谈话转向偏移电压时，常常在准确性方面进行讨论，这基本上是正确的但是错过了与电流感测相关的重要方面。偏移电压决定了可以精确测量的最小实际分流电压降。较低的最小电压降允许最小的满量程电压降。降低满量程电压降有两个重要的好处：

1.较低的满量程分流电压降可降低功率损耗，从而延长电池寿命。

2.较低的分流电压降意味着分流器中的功率消耗较少，这通常可以使用更小和更经济的分流电阻器，以及更小的温升。

共模范围和电池电压考虑因素

电流检测放大器有两大类，即共模电压范围扩展到或低于地的放大器，其余类别的放大器只能在一定的最小共模电压之上可靠地测量。

许多应用还将从它正在监视的相同电池为电流感测放大器供电，在这种情况下，一直感测到零是不必要的并且是不可能的。尽管如此，仍希望监测到可能的最低水平。

一些系统可以在较低功率的独立电源上为电流检测放大器供电，但是从电池获得，在这种情况下，对电流检测放大器的要求可能包括在低电源电压下工作的能力，这将是值得的。使用适合在低于3伏的低电源电压下工作的放大器。

单向和双向电流感应

电池管理需要双向电流检测来监控充电和放电电流。在电流检测放大器上检查此规范非常重要，因为其中一些仅用于单向使用。值得注意的是，双向电流检测放大器总是可以用于单向应用，但反之亦然。

关于双向电流感测的细节是放大器将具有参考引脚以偏置放大器的静态输出电压。这允许输出电压摆动高于和低于参考电平，以表示充电与放电条件。

图6显示了电流检测放大器直接由电池供电的电路示例。完全充电后，电池标称值为4.2伏。所示的NCS213R电流检测放大器工作电压低至2.2伏，低于系统可能正常工作的电平。关于共模电压范围，NCS213R的额定电压范围低至-0.3伏共模范围，虽然该电路不需要共模至零，但这使得该放大器成为一种简单的选择。

该电路配置为驱动具有0至2.5伏输入的ADC，使得1.25伏表示放大器输出的中心值，因此对放大器参考引脚施加1.25伏偏压。该参考偏置需要来自低阻抗，以保持放大器中的高共模抑制。如果使用简单的电阻分压器来产生该参考电压，则它应该由单位增益放大器进行缓冲。

图6.具有双向电流感测放大器的示例电池电流感测电路。使用安森美半导体NCS214R可在整个温度范围内提供60μV的最大偏移和1％的最大增益误差

该电路显示了安森美半导体的NCS21xR系列，其中NCS214R的增益为100，最大偏移为60μV，允许+/- 1.25V输出摆幅，+ / -  12.5mV分流电压降。

电池和系统保护

电流检测还用于监视和保护电池。电流测量用于保护电池免受滥用，并通过在过电流条件下提供紧急关闭来确保其安全使用。虽然保护和安全功能可能不需要高水平的电流测量精度，但是离散电流检测很容易为保护电路提供理想的信号。

速度是保护中的重要考虑因素，此功能由诸如电流检测放大器的带宽和转换速率等参数指定。前面提到的NCS214R提供60 kHz的带宽和1 V /μs的压摆率，确保快速响应过电流瞬变。

  （未完待续）