基于鋰離子電池的 MP3代替 A/D 轉(zhuǎn)換器的低成本方案

最初面世的電池電量計(jì)是以庫(kù)侖計(jì)量法為基礎(chǔ)的，采用這樣的計(jì)量方法有著很堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，因?yàn)閷?duì)電流積分便可得到電量是個(gè)很基礎(chǔ)的物理常識(shí)，順著這個(gè)思路得到產(chǎn)品也就很正常了，只是這樣的操作存在一個(gè)問題，你得知道積分的零點(diǎn)在哪里，也需要知道積分的滿點(diǎn)在哪里，這樣才能得到準(zhǔn)確的計(jì)量，知道每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的電池儲(chǔ)能狀態(tài)在其整個(gè)容量當(dāng)中所占的比例即荷電狀態(tài)（SoC，State ofCharge）。由于知道庫(kù)侖計(jì)量法的原理，我在很多年前開始使用第一臺(tái)智能手機(jī)的時(shí)候就會(huì)經(jīng)常去做一個(gè)動(dòng)作，把電池電量用盡關(guān)機(jī)以后再給它充電到滿電，目的就是告訴它零點(diǎn)是什么，滿點(diǎn)又是什么，否則就會(huì)常常出現(xiàn)可能顯示還有 10% 電量時(shí)就突然關(guān)機(jī)了的問題。

顯示電量還有 10% 就突然關(guān)機(jī)，其中涉及的實(shí)際情況是電池實(shí)際電量已經(jīng)支撐不住它的外顯電壓了，系統(tǒng)因?yàn)殡姵仉妷禾投鲃?dòng)關(guān)機(jī)，而這時(shí)候它所使用的電量計(jì)所報(bào)告的電量還能支撐它工作很久，于是兩者之間就發(fā)生了矛盾，最終取勝的當(dāng)然是物理限制本身，可以任意被人支配的數(shù)據(jù)在這時(shí)候是一點(diǎn)也沒有意義的。這樣的狀況如果是發(fā)生在一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)里，它便能從斷電關(guān)機(jī)這一事實(shí)得到電池電量實(shí)際零點(diǎn)的位置，為它的下一個(gè)計(jì)量周期做好最充分的準(zhǔn)備，使下一次的計(jì)量更準(zhǔn)確一點(diǎn)，而這也就是我主動(dòng)讓手機(jī)工作到主動(dòng)關(guān)機(jī)為止的理論依據(jù)。

庫(kù)侖計(jì)量法導(dǎo)致電量計(jì)算誤差是有原因的，一是電池本身的特性在隨著環(huán)境、時(shí)間的影響而發(fā)生變化，這些變化都可以從其內(nèi)阻的變化上反映出來；二是電池本身存在自放電，在電池外接電路上進(jìn)行電流測(cè)量根本就不能反映這個(gè)部分的影響；三是信號(hào)采樣的誤差，因?yàn)闆]有任何數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)本身，就像國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的 GDP 數(shù)據(jù)沒有辦法將我家請(qǐng)一個(gè)鐘點(diǎn)工的勞動(dòng)報(bào)酬反映出來一樣，而同樣的問題在所有的數(shù)模混合系統(tǒng)中都是存在的，所以我們能得到的數(shù)據(jù)都只能作為參考，不能當(dāng)作是真的；四是任何數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都不能以連續(xù)的方式收集到每時(shí)每刻的電流信息，采樣只是在某些時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行的，這樣便不能反映實(shí)際電流的全部信息。這些問題不僅會(huì)導(dǎo)致庫(kù)侖計(jì)量法在每一個(gè)當(dāng)下的計(jì)量誤差，由于采用積分運(yùn)算的緣故，它們還會(huì)被累積起來，時(shí)間越長(zhǎng)便會(huì)發(fā)生越大的影響，而像我那樣時(shí)不時(shí)地來一次清零的動(dòng)作就是在幫它做出重新的標(biāo)定，盡可能使它回到離原點(diǎn)最近的地方。

我在工作中最初與電量結(jié)緣是因?yàn)橐獮槭褂?a target="_blank">鋰離子電池的 MP3 等設(shè)備提供一個(gè)可以代替 A/D 轉(zhuǎn)換器的低成本方案，那時(shí)利用的是可以由用戶自行設(shè)定檢測(cè)閾值的電壓檢測(cè)器 RT9801B，你只需要改變它幾個(gè)輸入端的狀態(tài)就可以達(dá)到目的，非常方便與 GPIO 端子有很多富余的數(shù)字系統(tǒng)連接，最終帶來降低系統(tǒng)成本的效果。這種方法能夠?qū)嵤┑脑驈膬蓚€(gè)數(shù)據(jù)可以看出來，其一是電池的放電曲線：

其二是 RT9801B 的電壓檢測(cè)閾值與其閾值設(shè)定端之間的關(guān)系：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只需要根據(jù)已經(jīng)知道的當(dāng)前電池電壓區(qū)間設(shè)定好新的電壓檢測(cè)閾值，當(dāng)電池電壓變化到這個(gè)閾值的時(shí)候，RT9801B 輸出端的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，這樣便知道電池電量已經(jīng)到了新的水平了，隨即改變顯示在屏幕上的圖標(biāo)狀態(tài)即可讓用戶知道當(dāng)前的電池荷電情況。這種做法對(duì)電量的測(cè)量很不精確，但是已經(jīng)可以滿足當(dāng)時(shí)的需要了，所以是可以被接受的，實(shí)際上就是到了今天也還有很多設(shè)備是這么做的，我最近購(gòu)買的一臺(tái)洗車機(jī)就是這樣的電量顯示方式，對(duì)我來說覺得已經(jīng)夠用了。

鋰離子電池的外顯電壓與其實(shí)際電量之間的關(guān)系并不是完全一一對(duì)應(yīng)的，這與實(shí)際的負(fù)載情況有很大的關(guān)系，但是如果將電池開路電壓、實(shí)際電壓與其儲(chǔ)能之間的關(guān)系聯(lián)系起來做成算法，還是可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出電池的荷電狀態(tài)，只不過由于缺少電流信息，實(shí)際的電池電量不能得出，能給出的是電池儲(chǔ)能的相對(duì)狀態(tài)，而且精度還很高，立锜的第一代電量計(jì)產(chǎn)品便是這樣做的，下面的數(shù)據(jù)可以告訴你它的精度水平：最大誤差可以做到 ±3% 以下。

由于只需測(cè)量電壓便可以獲得電池荷電狀態(tài)信息，這種電量計(jì)的應(yīng)用電路便非常簡(jiǎn)單：

這給它帶來一個(gè)好處：只要將電量計(jì)和電池連接在一起，電量計(jì)很快就可以得出電池的荷電狀態(tài)信息，無需經(jīng)歷電池完全放電和充滿電的過程，因此在使用上就可以和電池分離，使電池成為可以隨時(shí)取出、隨時(shí)接入的部件，所以就可以被安裝在系統(tǒng)板上而不用像庫(kù)侖電量計(jì)那樣必須裝在電池包里。

僅僅利用電壓信息計(jì)算電池荷電狀態(tài)，最大的缺點(diǎn)是不能獲得具體的電池電量信息。假如在此基礎(chǔ)上再加入電流信息和電池的容量信息，此兩者便成為以電壓為基礎(chǔ)的電量計(jì)的補(bǔ)充資料，既能獲得電池的實(shí)際電量，又能對(duì)荷電狀態(tài)的計(jì)算誤差進(jìn)行修正，將計(jì)量準(zhǔn)確性提高到一個(gè)全新的水平：《±1%，具體數(shù)據(jù)可參看下圖：

因?yàn)橐獪y(cè)量電流，加入電流檢測(cè)電阻就是必要的了，于是形成了全新的應(yīng)用電路圖：

在上圖中，電流檢測(cè)電阻連接在 RT9426 的 CSP 和 CSN 之間。為了提高安全性，RT9426 還加入了溫度檢測(cè)電路，可在溫度超過容許范圍時(shí)及時(shí)通知系統(tǒng)停止充電、放電等操作。

新功能的加入會(huì)讓電路變得復(fù)雜，但是這種付出是有價(jià)值的。如果你對(duì)型號(hào)為 RT9422A 的全新電量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行探索，會(huì)發(fā)現(xiàn)它有更顯復(fù)雜的應(yīng)用電路：

因?yàn)樗旨尤肓说诙?jí)安全控制電路，可在緊急狀況下切斷外接熔絲，使電池和外接電路的連接徹底斷開以確保安全，此功能是獨(dú)立于鋰離子電池的保護(hù)電路而存在的。它還另外加入了使用 SHA-1/HMAC 算法的密鑰驗(yàn)證機(jī)制，可對(duì)接入系統(tǒng)的電池進(jìn)行身份認(rèn)證，而這在電路圖上是看不出來的，因?yàn)槊荑€和計(jì)算結(jié)果的傳遞通過 SDA/SCL 所代表的數(shù)據(jù)接口就可以傳輸了，不需要其他的電路進(jìn)行配合。

應(yīng)用系統(tǒng)的需求不同，對(duì)所用電量計(jì)的選擇也不同，重點(diǎn)在于知道自己需要什么，同時(shí)也了解不同電量計(jì)的特性，這樣便可將兩者聯(lián)系起來進(jìn)行選擇。無論你最后的選擇是什么，都需要知道準(zhǔn)確計(jì)量的前提是要對(duì)電池特性有一個(gè)準(zhǔn)確的了解，這需要通過測(cè)量電池特性并從所得數(shù)據(jù)中推算出電池的模型參數(shù)才能獲得，這就需要你和立锜技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)配合工作來進(jìn)行了，如果不進(jìn)行這步工作而直接使用，所得結(jié)果也可以使用并具有一定的參考價(jià)值，但其精度總是有限的。
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