电池管理概述
电池管理包括两个主要功能：1. 充电适配器，以及 2. 电池侧的电池电量监测和保护。图 1 中的框图描述了整个系统。在每一个系统中，电流感应在从电池中获得性能、寿命和安全性方面都起着至关重要的作用。
图 1
带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
准确的燃料计量和系统管理（所有图片由 ON SEMI 提供）
对于锂离子电池的电量测量，随时间变化的电荷积分是库仑计数和确定 SoC（荷电状态）的常用方法。在其他电池技术中，开路电压已用作电量监测，但锂离子电池在放电循环中显示出更恒定的电压，这无法提供有关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，通过电压确定电荷的准确性并不理想。感应电流使库仑计数成为比电荷状态测量更的替代方案。
锂离子电池的广义放电曲线表明，通过电压确定电荷的准确性并不理想。感应电流使库仑计数成为比电荷状态测量更的替代方案。
库仑计数，假设从已知状态开始，对放电电流进行积分以计算从电池中取出的库仑，对充电电流进行积分以计算恢复的库仑。显而易见，这是一个受益于电流感应精度的过程。本文的目的不是详述库仑计数的无数细节，而是主要关注电流传感在电池管理中的作用。（参见未知文档 568478
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、电流和温度施加了严格的操作限制，以避免出现电池寿命缩短、内部短路或电池损坏等不良后果。
电池管理系统示例
图 3 是典型锂离子电池组中的电路框图。它显示了锂离子电池的安全保护电路和电量计（容量测量装置）的示例。安全电路包括一个锂离子保护器，用于控制背靠背 FET 开关。这些开关可以打开，以保护电池组免受过压、欠压和过流等故障情况的影响。该图还包括一个温度敏感的三端子保险丝，该保险丝会因长时间过流或过热而断开，或者可以通过冗余保护电路强制断开，以防主保护电路无法响应。打开此保险丝是的手段，因为它将导致包禁用。
电量计电路通过使用分流电阻器和电流检测放大器测量电流来测量充电和放电电流。对电流测量进行积分，以确定库仑容量的变化。此外，该电量监测计还测量温度和电压，评估电量监测算法以确定电池中的可用容量，并计算电量耗尽时间和主机所需的其他值。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器。
电流感应中的具体注意事项
选择电阻器（参见图 4 和图 5）
电阻值、精度和物理尺寸的选择取决于预期测量的电流。电阻值越大，测量越准确，但电阻值越大，电流损耗也更大，效率降低。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、值为 100 分之一或 100 分之一欧姆的电阻器。
虽然电阻器通常被认为是简单的双端子器件，但为了进行测量，使用四端子电流检测电阻器，电阻器的每一端有两个端子。这为应用电路的电流路径提供了两个端子，并为检测放大器的电压检测路径提供了一对端子。这种四端子设置，也称为 Kelvin Sensing，可确保准确的传感连接，更高的精度意味着更准确的库仑计数。
的电阻器安装和连接对于实现精度至关重要。电流分流器有两大类，标准分流器和开尔文连接分流器。标准分流器是经济的，但必须特别注意连接方法。图 4 详细说明了正确和错误连接的一般情况，但请尽可能查阅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，但请始终查看制造商的文献（如果有），以了解任何具体建议
虽然这描述了非开尔文分流连接的一般建议，但请始终查看制造商的文献（如果有），以了解任何具体建议
Kelvin 连接分流器从连接的角度来看，可以轻松获得精度。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）以及连接原理图。
偏移电压
很多时候，当话题转向偏移电压时，人们会从精度的角度来讨论，这基本上是正确的，但错过了相对于电流检测的一个重要方面。偏移电压决定了可以测量的实际分流电压降。较低的电压降允许的满量程电压降。降低满量程压降有两个重要优势：
1. 较低的满量程分流压降减少了功率损耗，这有助于延长电池寿命。
2. 较低的分流压降意味着分流器中的功耗更少，这通常可以使用更小、更经济的分流电阻器，以及更少的温升。
共模范围和电池电压注意事项
电流感应放大器有两大类，共模电压范围延伸到或低于地电位的放大器，其余类别是只能可靠地测量高于始终指定的共模电压的放大器。
许多应用还将使用它正在监控的同一电池为电流感应放大器供电，在这种情况下，无需且不可能一直感应到零。尽管如此，将监控降至级别。
一些系统可能使用较低功率的独立电源为电流检测放大器供电，但来自电池，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，这将值得使用适合在低于 3 V 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感应来监控充电和放电电流。检查电流检测放大器的规格很重要，因为其中一些放大器仅用于单向使用。还需要注意的是，双向电流检测放大器总是可以用于单向应用，反之则不然。
关于双向电流感应的一个细节是，放大器将有一个参考引脚，用于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 显示了一个电路示例，其中电流检测放大器直接由电池供电。充满电时，电池标称为 4.2 伏。所示的 NCS213R 电流感应放大器的工作电压低至 2.2 V，低于该水平时，系统可能无法正常工作。关于共模电压范围，NCS213R的额定共模范围低至 -0.3 V，虽然该电路不需要将共模降至零，但它使该放大器成为一个简单的选择。
该电路配置为驱动具有 0 至 2.5 V 输入的 ADC，因此 1.25 V 代表放大器输出的中心值，因此 1.25 V 偏置到放大器参考引脚。此基准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 resistor pider 来生成此 reference ，则应由 unity gain 放大器缓冲。
图 6
带有双向电流检测放大器的电池电流检测电路示例。使用 ON Semiconductor NCS214R在整个温度范围内提供 60 μV 的偏移和 1% 的增益误差
该电路显示了 ON Semiconductor 的 NCS21xR 系列，其中 NCS214R 提供 100 的增益和 60 μV 的偏移，允许 +/-1.25 V 输出摆幅，以实现 +/-12.5mV 的分流压降。
电池和系统保护
电流感应还用于监控和保护电池。电流测量用于保护电池免受滥用，并通过在过流情况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，但分立电流传感很容易为保护电路提供理想的信号。
速度是保护中的一个重要考虑因素，这种能力由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 的转换速率，确保对过流瞬变的快速响应。
电流感应和温度控制
电流感应可以在温度控制策略中发挥作用。基于温度传感器的热控制需要温度升高来检测和调用热控制。当希望将系统稳定在高温下时，这种控制策略更有意义。
智能热控制应响应系统的热负载，该热负载由从电池获取或馈送到电池的功率表示。电流感应提供的信号使主动热控制成为可能。
感应代表功率的电流可提供有关即将发生的温度事件的“前沿”信息，这是可预测的。您甚至可以在温度升高之前使用它来调用温度控制策略，并且您的温度传感器现在起到了防止重大温度故障或冷却策略故障的作用。这是一种可以使您的系统尽可能保持凉爽的策略，与基于温度传感的方法形成鲜明对比，后者倾向于将系统保持在较高的控制温度。
在电池适配器侧电路之外进行管理
图 7 显示了整个电池充电系统的 AC 适配器部分的框图。适配器将交流电转换为直流电并提供调节和保护，而图 3 中器件侧的电路控制充电的细节。适配器中的电流信号连接到适配器中的调节和保护电路。
电流感应是锂离子电池充电和放电管理的重要组成部分，虽然有完全集成的解决方案可用，但要实现的电池寿命和安全性，可能需要使用分立电路来提供所需的精度。在许多情况下，确切的算法是专有的且高度机密的，并且需要在电流感应等领域使用离散方法来实现其性能目标。
图 7
用于 AC（或其他电源）调节和保护的适配器侧电路需要电流感应。
