从几毫伏到数英里：电池管理集成电路 (IC) 如何影响汽车性能-原理图|技术方案

我对电动汽车的喜爱是显而易见的。我开全电动汽车已经有四年多的时间了，行驶里程有60000英里，大约100000公里。我选择电动汽车的原因有很多，不过归根结底是因为电动汽车真的很棒。它安静得出奇，它的加速性能无人能敌，也不需要更换机油，而且想去哪儿就去哪儿，根本不用考虑速度或时间对于行驶里程的影响。

从4节串联（微型混动汽车），到12-16节串联电池（轻度混合汽车），直到96节串联电池（电动和混动汽车），根据汽车技术规格的不同，会有一节或很多节并联电池。然而，从IC的角度出发，串联电池节的数量才是关键点，并联电池节数量可根据需要随意确定。电池管理系统 (BMS) 是驾驶员、汽车和电池之间的重要纽带。BMS包含监视和保护电池的电子元器件。我经常对这些电池管理电子元器件的性能感到好奇，特别是诸如bq76PL455A-Q1的电源管理IC的性能到底怎么样；实际上，正是这款器件使我的汽车能够正常行驶的同时，还提升了车辆的性能。作为驾驶员，我急需知道电池的续航里程，以及汽车充电完成的时间。我还想知道，我的电池状态是不是良好。我也很乐意知道我的汽车可以快速加速。我们来看看IC所具有的不同技术规格如何帮助实现我所需要的功能。

续航里程和加速
续航里程是另外一个了解电池剩余电荷的方法，这一参数被称为电荷状态 (SoC)。有手机的人都知道，电池的容量会随着时间的推移而逐渐下降。一个电池在一个指定时间点上能够保存的最大电荷量被称为健康状态 (SoH)。计算SoH和SoC的方法有很多（请查看TI Impedance Track技术），而这些方法都会计算电池电压、电池温度和电池组电流。

某些锂离子化学电池，比如说磷酸锂铁电池，SoC相对于电池电压的曲线非常平缓。电池电压中的一个小误差就有可能导致SoC估算中的巨大误差。

一个LiFEPO4电池的SoC曲线

监视需要测量电压、电流和温度。诸如bq76PL455A-Q1的监视IC，对于大约4.5V的电池电压，它在0°C至65°C温度范围内的准确度值为2mV，在-40°C至105°C温度范围内的准确度值为4mV，通常情况下，电池电压精度在很大程度上取决于输入电压。请注意，我在这里讨论的是真正的准确度：这个准确度包括所有由回流焊和前几个热循环所导致的偏移。有时候，数据表技术规格会与你在电路板上看到的值大不相同。加速也与SoC密切相关，由于电池电压下降，所以电池能够产生的最大功率也下降了。任一SoC上的过多电流，特别是在处于低SoC时，都会加速电池的老化。

安全性
到目前为止，电池在汽车中的应用已经有150年的历史了，所以汽车厂商也在这方面提供帮助。他们是如何做到的呢？汽车停止充电和放电的时间恰到好处。通常情况下，一个BMS具有一个单独的保护器——这是一组比较器，它们检查每节电池的电压，并且确保电池电压在正确的范围内。如果监视器或保护器检测到一节电池处于过压阀值上或者欠压状态，那么充电或放电将终止。如果监视器或保护器少报电压，另外一个将停止充电放电。

事实上，虽然故障很少发生，但是大多数汽车厂商都将他们的大部分时间花费在汽车的安全性开发上。这也是为什么一个IC具有如此之多的自我诊断特性，并且一个监视器能够诊断绝大部分系统的原因。例如，bq76PL455A-Q1能够检查线路断开，同时具有内置自检以验证已定义的内部功能，并且能够以多种方法在安全性方面为用户提供帮助。

成本
与我对电动汽车的钟爱程度一样，我也很希望电动汽车能够再便宜一些。很明显，在汽车成本中，电池占了很大份额。减少成本的最简单方法就是少花钱多办事。在电池应用领域中，这就意味着更小的保护带，而反过来，也就表示需要更多精确的监视器和保护器。通常情况下，保护器不如监视器精确，所以，实际上是保护器的准确性拉高了保护带数量。

主动和被动电池节均衡是另外一个重要特性。如果没有电池均衡，那么大容量电池会很快失效。当第一节电池无电时，放电驱动停止。当第一节电池充满时，充电停止。在没有均衡的情况下，第一节完全放电的电池与第一个充满电的电池互不相干；电池均衡减少了这两节电池之间的电荷差异。被动均衡在这方面的表现很不错，事实上，你可以拿一个不可用的电池组，并且对其进行一次均衡以消除漂移效应。然而，随着时间的推移，电池节的容量能够保持的电荷数量也会发生改变，并且容量扩散会随着时间的推移变得越来越大。

还有另外几个方法能够使汽车厂商降低成本。第一代系统通常使用控制器局域网 (CAN) IC和隔离器，用于与主机控制器通信。这是一种比较昂贵的通信方式。更新一代的IC拥有经改进的通信方式。在无需隔离器的情况下，通过隔离式差分通用异步接收器/发射器 (UART)来完成通信，数个bq76PL455A-Q1能够以菊花链配置进行通信。价格低廉的电容器能够帮助你实现隔离。

集成的监视器和保护器，以及每个IC能够监视越来越多的电池节数量也有助于进一步降低成本。bq76PL455A-Q1能够监视多达16节电池，并且具有一个集成式保护器，从而极大地降低了系统成本，特别是对于48V轻度混合动力系统来说更是如此，因为单个IC能够替代多达4个IC、2个12节监视器和2个12节保护器。

当我驾车时，我对汽车电池组内所具有的业内最佳技术水平而感到高兴。我也很愿意驾驶一辆具有更好、更加精确电池管理IC的汽车驶向未来。

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当笔者与使用模数（A/D）转换器的系统设计人员聊天时，他们最常问的就是：“您的16位A/D转换器准确度也是16位吗？”

要回答这个问题，关键在于从根本上理解分辨率和准确度这两个概念之间的区别。尽管这两个术语是截然不同的，但它们却经常被混淆或互换使用。

A/D转换器的分辨率被定义为输入信号值的最小变化，可通过一次计数改变数字输出值。就理想的A/D转换器而言，传递函数呈阶梯状，且每个步阶宽度等于分辨率。但使用较高分辨率（16位或16位以上）的系统时，传递函数的响应和理想的响应之间将存在较大的偏差。这是因为由A/D转换器及驱动器电路产生的噪声可降低该转换器的分辨率。

此外，如果一种直流（DC）电压被施加到理想A/D转换器的输入端并进行了多次转换，那么数字输出应始终是同一个代码。但在现实中，输出代码却成了多个代码，在多个位置上分布（见下图的红点群集），具体取决于系统总噪声，其它因素还包括电压参考和驱动器电路。系统里噪声越多，数据点的群集范围会越大，反之亦然。图1展示了一个半量程DC输入的例子。在A/D转换器的产品说明书中，A/D转换器传递函数图上的这种输出点群集通常被表示为DC直方图。

图1的例证带来了一个有趣的问题。如果同一种模拟输入能产生多种数字输出，那么A/D转换器分辨率的定义是否依然适用？答案是肯定的 —— 但前提是我们要考虑到A/D转换器的量化噪声。然而，当我们对信号链中的所有噪声和失真进行探究考量时，却发现A/D转换器的无噪声有效分辨率是由输出代码散布（Npp）状况来决定的。

无噪声分辨率 = log2（2n/Npp）
其中n是理想的分辨率

在典型的A/D转换器产品说明书中，有效位数（ENOB）由交流（AC）参数和信噪失真比（SINAD）间接确定，可用下边的方程式计算出ENOB：

ENOB =（SINAD-1.76）/6.02

接下来请仔细观察：输出代码群集（图1里的绿色群集）是否不仅未以理想的输出代码为中心、反而位于A/D转换器传递曲线上的其它位置，远离红点？这个距离是数据采集系统准确度的指标。A/D转换器以及前端驱动电路、参考和参考缓冲器都是整个系统准确度的影响因素。

这里应当注意的是：A/D转换器的准确度和分辨率是两个不同的参数，它们可能彼此不相等。从系统设计的角度来看，准确度可决定系统的整体误差预算，而系统软件算法完整性、控制和监测能力则取决于分辨率。

已确定了A/D转换器分辨率和准确度之间的区别，我们现在可深入探讨一下能对该转换器的总准确度产生影响的因素，通常被称为未调整总误差（TUE）。

您可曾想过在A/D转换器的未调整总误差（TUE）技术规格中“总”代表什么吗？是仅仅把来自产品说明书的所有DC误差技术规格，如偏移电压、增益误差和积分非线性 (INL) 误差加起来那么简单还是有更深层的含义呢？事实上，TUE是系统总误差相对于该转换器工作输入范围的比率。

更具体地说，TUE是以最低有效位（LSB）为单位表示的DC误差技术规格，代表A/D转换器实际传递函数和理想传递函数之间存在的最大偏差。该技术规格假设未进行系统级校准。

从概念上讲，TUE反映的是A/D转换器运行状况中下列各类非理想因素的联合效应：

• 偏移误差（VOS）。该误差是A/D转换器实际传递曲线和理想传递曲线之间的恒定差异（见图2）。它是测定的数字输出，通过把A/D转换器输入端短接到接地（GND）获得。

• 增益误差。A/D转换器输出的实际斜率和理想斜率之间的差异。它通常被表示为满量程代码处A/D转换器范围或最大误差的比率。如图2所示，随着模拟输入接近满量程值，增益误差的绝对值会增大。

• 积分非线性（INL）误差。A/D转换器实际传递曲线和理想直线运行方式之间存在的最大非线性偏差。A/D转换器的INL响应图没有固定的形状，具体取决于内部电路架构以及由前端信号调节电路造成的失真。

大多数A/D转换器产品说明书为所有上述DC误差明确规定了典型值和最大值，但未给TUE指定这方面的数值。计算TUE的最大值可不像求所有单个DC误差最大值的总和那么简单。原因是：所有这些误差是不相关的，而且最糟糕的情况是，在A/D转换器的传递函数上，偏移、增益和线性误差可能并非都出现于相同的输入电压下。所以，将误差简单相加也许会使系统准确度看起来过差。如果应用的动态范围被限制在接近传递函数中间的位置，情况更是如此。

在典型的数据采集系统中，与A/D转换器配套的有一个输入驱动器，还有一个电压参考，两者均可使总的偏移和增益误差增加。因此，在大多数无校准功能的系统里计算TUE最大值时，偏移和增益误差会比INL误差大。要计算特定模拟输入电压下的最大TUE，推荐的方法是取那一点上所有单个误差最大值的和方根。重要的是把所有这些误差转换成相同的单位（通常是LSB）。

TUE = v[|VOS|2 + gain2 + INL2]

借助该方程式通常可生成一个“蝴蝶结”形状的误差图。对于具有较高偏移误差的系统，“蝴蝶结”的结较厚。但对于具有较高增益误差的系统，“蝴蝶结”的结则变得较薄，弓形变得较厚。

总之，没有能为A/D转换器计算TUE最大值的确定公式，因为该误差取决于A/D转换器工作时的输入范围。如果系统不需要采用A/D转换器的整个输入范围，那么工程师可通过使该器件远离其传递函数的端点运行来最大限度地减小TUE。

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