在MCU中透過ADC實現電池溫度測量解決方案

設計考量

一、自加熱效應

NTC熱感應電阻通常置於電池之間，以直接測量電池溫度(如圖4)。

圖4：使用 NTC 時電池溫度測量應用電路

然而，如果NTC熱感應電阻上流過的電流過高，所測得的溫度結果可能會由於圖3中所示的自加熱效應而失真。施加的功率和溫度上升量之間的關係在下面方程式中被定義為介質損耗因子δ：

其中，P是NTC熱感應電阻的功耗(單位mW)，ΔT為溫度變化(單位℃)，而損耗因子δ的單位為mW/℃。

因此，溫度應在零功率電阻下透過NTC熱感應電阻測量，以忽略自加熱效應。零功率電阻指在規定溫度下測得的NTC熱感應電阻的電阻，在該溫度下，熱感應電阻的功耗足夠低，功率進一步減少時電阻也不會有多大變化。

測量電池溫度時，如果NTC熱感應電阻要實現零功率電阻，建議將直流電阻(圖4中的RBIAS)與NTC熱感應電阻串聯，以便在一定?定電壓下限制流過的電流。然後透過測量圖4所示應用電路的終端電壓VMEASURE，就可以測量出溫度。

根據NTC的特性，NTC熱感應電阻可表示為方程式(3)，

VMEASURE可以用如下方法計算：

其中，VBIAS是NTC熱感應電阻(RNTC)和其串聯電阻(RBIAS)上的特定外加電壓，而VMEASURE是NTC熱感應電阻上的外接電壓。

因此，測得的溫度為：

二、溫度與測得電壓的線性關係

NTC熱感應電阻測量溫度的第二個設計考量是，使測得的溫度和產生的電壓訊號(T-V)呈線性關係，以實現預期溫度測量解決方案。

在大多數情況下，當客戶決定在BMS中使用MCU時，也已經同時決定ADC的位元數。為了達到所需測量電池溫度的解決方案(即圖5所示的ΔT)，最好使T-V之間呈線性關係。

圖5：VMASURE-溫度曲線（β= 3500K；圖分別為 (a) 凹-凸型，(b) 凸型，(c) 凹型）

方程式(6)證明對於不同比率的RBIAS和R25，有3種形狀不同的T-V曲線，分別為圖5所示的凹-凸型、凸型和凹型。如果將RBIAS和R25的比率定義為x，那麼如果x過大，T-V曲線的為凸型(圖5(b))，如果x過小，T-V曲線會變成凹型(圖5(c))。圖5所示的ΔV1∼ΔV6是指溫度測量範圍已經確定時，所需溫度測量解決方案ΔT的第一個到最後一個電壓階。現在的問題變成找到一個適當的x值，使圖5中的T-V曲線線性化。顯然所需的x值存在於凹凸型T-V曲線(圖5(a))中，當相應的第一個和最後一個電壓階(圖5(a)中的ΔV1和ΔV2)在確定的溫度測量範圍內針對所需的溫度測量解決方案(如圖5所示ΔT)等值時尤為如此。

設計步驟

一、實現溫度測量的解決方案

如果決定使用β值為3500K的NTC熱感應電阻，VBIAS電壓為5V，感測溫度範圍在-20∼60℃，所需的解決方案為1℃，然後，在下列條件下可實現T-V線性曲線：

即，

二、計算電阻比x

在選擇合適的NTC熱感應電阻時，R25電阻值是一個關鍵因素。要計算合理的R25值，必須知道RBIAS和R25之間的關係。假定x為電阻率，以及RBIAS=X．R25，根據上述方程式，計算結果為X=1.07(選擇x=1較方便計算)。因此，RBIAS可透過x值來確定(如果已經選定R25)。此外，即使R25改為其他值，RBIAS仍能透過電阻比率x值確定。

三、考慮零功率測量

如果介質損耗因子滿足δ=3mW/℃，另外自加熱效應的溫度上升量限制在0.1℃，那麼保證零功耗測量的NTC熱感應電阻最大功耗為0.3mW。在室溫(25℃)下，NTC熱感應電阻的功耗為：

其中，

那麼，

四、更換β值：

如果β是3500K(一般在3000∼4000K)以外的值，透過計算證實上述結果仍是可靠的代替β值(在上述範圍內)。

結論

由於其精密度高、成本低且易於建置，NTC熱感應電阻器被廣泛用於測量電池溫度。電阻與溫度的基本關係由幾個公式表示。應用電路利用NTC熱感應電阻測量電池溫度已付諸實現。T-V曲線線性關係和自加熱效應已被導入最佳化設計。根據本文所述設計過程，工程師可用簡單的設計方法透過NTC熱感應電阻零功率測量實現所需的溫度測量解決方案。

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