Semplice circuito di calibrazione ottimizza la precisione dei sistemi di gestione delle batterie Li-Ion

Pubblicato il 9 settembre 2011

È possibile migliorare la durata delle celle evitando sia la scarica profonda, sia la sovraccarica. Pertanto i sistemi tipici cercano di ottenere un funzionamento con uno stato di carica (state of charge, SOC) compreso tra il 20% e l’80%. Il rilevamento e la correzione di uno stato di squilibrio di carica garantisce che tutte le celle rientrino nella finestra SOC desiderata, impedendo l’invecchiamento prematuro di alcune celle, cosa che potrebbe compromettere la capacità dell’intero pacco batterie. Per stabilire il SOC delle celle Li-Ion sono richieste misurazioni altamente precise, per via delle eccezionali caratteristiche di scarica, soprattutto con strutture chimiche a minore tensione (Fig. 1).

Fig. 1 – Caratteristiche di scarica della cella Li-Ion da 3,3 V

Sebbene il popolare sistema di monitoraggio dello stack di batterie dell’LTC6802 offra la conversione analogico-digitale ad alta precisione, alcune applicazioni richiedono un’accuratezza ottenibile solo con un circuito integrato con riferimento di tensione dedicato. L’LT1461 è particolarmente adatto come fonte di calibrazione delle prestazioni, disponibile in un package SO 8 di dimensioni ridotte. La figura 2 illustra questa configurazione. Il riferimento di calibrazione viene misurato con un canale ADC normalmente destinato alla misurazione della temperatura. Un bit di I/O programmabile controlla l’alimentazione al riferimento.

Fig. 2 – LT1461 come fonte di calibrazione esterna per un sistema di monitoraggio delle batterie Li-Ion LTC6802

Spiegazione delle fonti di errore
Esistono varie caratteristiche chiave che comprendono una specifica di precisione generale:

• Errore di quantizzazione dell’ADC
• Precisione iniziale dell’ADC (o riferimento di calibrazione)
• Variazione da canale a canale
• Variazione in base alla temperatura
• Effetti di isteresi, principalmente quello del processo di saldatura
• Variazione in base al tempo di funzionamento (deriva a lungo termine)

L’errore massimo specificato nel data sheet per l’LTC6802IG-2 include i primi quattro fattori sopra indicati ed è di ±0,22%; circa ±7 mV se si misurano 3,3 V, l’area più complessa della curva di scarica. La specifica considera ±3,3 mV (±0,1%) come variazione massima in un range di temperature di esercizio comprese tra –40 °C e 85 °C. Poiché la non linearità differenziale (DNL) dell’ADC è di circa ±0,3 LSB, il contribuito dell’errore di quantizzazione è di circa ±0,8 LSB ovvero ±1,2 mV.

La tipica variazione canale-canale è minima, inferiore a ±1 mV, lasciando circa ±1,5 mV per la risoluzione di regolazione e la precisione del processo di fabbricazione del circuito stampato. L’isteresi termica viene specificata a 100 ppm, e un errore supplementare approssimativamente dell’±0,1% può generarsi a seguito della variazione del processo di saldatura del circuito stampato.

La deriva tipica a lungo termine prevista è inferiore a 60 ppm/√khr. Se il ciclo di vita attivo del sistema a batteria dei veicoli è tarato su 5 khr (circa 15 anni o 100.000 chilometri), si potrebbe generare un’incertezza pari a circa ±0,5 mV. Un contributo relativamente modesto all’errore totale.

Il circuito integrato del riferimento di tensione dell’LT1461AIS8-3,3 ha una tolleranza in uscita di ±0,04% e meno di ±1,2 mV di variazione rispetto alla temperatura con una stabilità esemplare che nel caso peggiore è di 3 ppm/°C. L’LT1461 presenta una deriva a lungo termine inferiore a 60 ppm/√kHr e un’isteresi termica di 75 ppm. La deriva del riflusso di saldatura è prevista a meno di 250 ppm (±0,8 mV).

Poiché una parte significativa dell’errore dell’ADC LTC6802 si accumula dopo la consegna iniziale del circuito integrato, una tecnica di calibrazione esterna migliora la precisione del prodotto finito.

Valutazione delle strategie di calibrazione
Sono disponibili una serie di opzioni per migliorare la precisione del sistema, che implicano tuttavia una maggiore complessità. Con il semplice circuito della figura 2 sono disponibili alcune opzioni che sfruttano il riferimento di calibrazione esterno. Le proiezioni di precisioni dei vari metodi sono riportate in tabella 1.

Tabella 1 – Precisione dei metodi di calibrazione descritti per le misurazioni di 3,3 V

Lo schema più semplice (metodo 1) non implica memoria locale o misurazioni in fase di produzione. Questo metodo considera periodicamente le letture della tensione di calibrazione nominale di 3,3 V e normalizza tutte le letture dell’ADC utilizzando lo stesso fattore di correzione calcolato. La tolleranza, la deriva del riferimento e le variazioni canale-canale non vengono corrette, tuttavia l’incertezza netta risulterebbe migliorata quasi di un fattore 2, raggiungendo ±6,2 mV.

Una tecnica lievemente più complessa (metodo 2) implica la memorizzazione di un unico fattore di correzione che incide sulla tensione di riferimento in base alla misura con uno strumento di test ad alta precisione. In questo modo quindi elimina l’errore iniziale dell’LT1461, portando la precisione generale a ±4,1 mV, con un miglioramento complessivo di fattore 3.

Seppur piccola, permane una variazione canale-canale che può essere calibrata con un metodo che utilizza più misurazioni di test iniziali (metodo 3). Questo procedimento è simile al metodo 2, ma con misurazioni ad alta precisione di ogni canale considerato (incluso il riferimento) e il salvataggio dei fattori di correzione individuali per ciascuno. Questo riduce ulteriormente l’errore a ±3,1 mV (miglioramento totale quasi di fattore 4).

Un riferimento di tensione di precisione, come l’LT1461, può migliorare l’accuratezza di un sistema di gestione della batteria basato sul dispositivo LTC6802 di circa ±3 mV nel caso peggiore. Il riferimento è una semplice aggiunta all’LTC6802, una soluzione di monitoraggio Li Ion altamente integrata, grazie ai canali generici di riserva dell’ADC disponibili. La bassa corrente di esercizio del riferimento di tensione LT1461, rende inoltre il dispositivo ideale per questa e per altre applicazioni a batteria.

Riferimenti
“Battery Stack Monitor Extends Life of Li-Ion Batteries in Hybrid Electric Vehicles,” Linear Technology Magazine, Volume 19, numero 1, marzo 2009, pagina 1.Sheet

Jon Munson, senior applications engineer di Linear Technology

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