電池電量計：精確測量充電水平

電池電量計確定二次電池中剩余的電量以及電池可以繼續(xù)供電多長時間（在特定工作條件下）。本應(yīng)用筆記討論了測量鋰離子電池剩余電量時面臨的挑戰(zhàn)，以及實(shí)現(xiàn)電量計以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的不同方法。

介紹

自移動電話問世以來，可充電電池及其相關(guān)的電量計指示器已成為我們信息和通信社會的一個組成部分。它們現(xiàn)在對我們來說與過去100年來的汽車燃油表一樣重要。然而，雖然司機(jī)不能容忍不準(zhǔn)確的燃油表，但手機(jī)用戶往往要忍受高度不準(zhǔn)確、低分辨率的指示器。本文討論了準(zhǔn)確測量充電水平的各種障礙，并介紹了設(shè)計人員如何在電池供電應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精確的電量計。

鋰離子電池

鋰離子電池從1997年左右開始量產(chǎn)，在開發(fā)過程中解決了各種技術(shù)問題。由于它們在體積和重量方面具有最高的能量密度（圖 1），因此可用于從手機(jī)到電動汽車的各種系統(tǒng)。

圖1.各種電池類型的能量密度。

鋰電池還具有特定特性，這對于確定其充電水平很重要。鋰電池組必須包括各種安全機(jī)制，以防止電池過度充電、深度放電或反向連接。由于高活性鋰會造成爆炸危險，因此鋰電池不得暴露在高溫下。

鋰離子電池的陽極由石墨化合物制成，陰極由金屬氧化物制成，添加鋰的方式最大限度地減少晶格結(jié)構(gòu)的破壞。這個過程稱為插層。由于鋰與水反應(yīng)強(qiáng)烈，因此鋰電池由有機(jī)鋰鹽的非液體電解質(zhì)構(gòu)成。給鋰電池充電時，鋰原子在陰極中電離并通過電解質(zhì)輸送到陽極。

電池容量

電池最重要的特性（除了其電壓）是其容量（C），以mA小時為單位，定義為電池可以提供的最大電量。容量由制造商針對一組特定條件指定，但在制造電池后會不斷變化。

圖2.溫度對電池容量的影響。

如圖2所示，容量與電池溫度成正比。上圖曲線顯示了鋰離子電池在不同溫度下以恒定 I、恒定 V 過程充電。請注意，電池在高溫下比在 -20°C 下多消耗大約 20% 的電量。

如圖2中的下部曲線所示，溫度對電池放電時的可用電量的影響更大。該圖顯示了充滿電的電池在兩種不同的電流下放電至2.5V的截止點(diǎn)。兩條曲線都顯示出對溫度和放電電流的強(qiáng)烈依賴性。在給定的溫度和放電速率下，鋰電池的容量由上下曲線之間的差異給出。因此，鋰電池容量在低溫下或大放電電流或兩者兼而有之時大大降低。在高電流和低溫下放電后，電池仍然具有顯著的殘余電荷，然后可以在相同溫度下以低電流放電。

自放電

電池通過不必要的化學(xué)反應(yīng)以及電解質(zhì)中的雜質(zhì)失去電荷。常見電池類型在室溫下的典型自放電率如表1所示。

化學(xué)反應(yīng)是熱驅(qū)動的，因此自放電與溫度高度相關(guān)（圖3）?？梢允褂寐╇娏鞯牟⒙?lián)電阻對不同電池類型的自放電進(jìn)行建模。

圖3.鋰離子電池的自放電。

老化

電池容量隨著充電和放電循環(huán)次數(shù)的增加而下降（圖 4）。這種下降通過術(shù)語“使用壽命”來量化，“使用壽命”定義為電池在其容量降至初始值的80%之前可以提供的充電/放電循環(huán)次數(shù)。典型鋰電池的使用壽命在 300 到 500 次充電/放電循環(huán)之間。

鋰電池還遭受與時間相關(guān)的老化，這導(dǎo)致其容量從電池出廠的那一刻起下降，無論使用情況如何。這種效應(yīng)會導(dǎo)致充滿電的鋰離子電池在 20°C 時每年損失 25% 的容量，在 35°C 時損失 40% 的容量。 對于部分充電的電池，老化過程更為緩慢：對于殘余電量為 40% 的電池，在 4°C 下每年損失約為其容量的 25%。

圖4.電池老化。

放電曲線

電池的特性放電曲線在其數(shù)據(jù)表中針對特定條件進(jìn)行了指定。影響電池電壓的一個因素是負(fù)載電流（圖 5）。不幸的是，負(fù)載電流無法在模型中通過簡單的源電阻進(jìn)行仿真，因為該電阻取決于其他參數(shù)，例如電池的年齡和充電水平。

圖5.電池放電曲線。

與原電池相比，二次鋰電池表現(xiàn)出相對平坦的放電曲線。系統(tǒng)開發(fā)人員喜歡這種行為，因為可用電壓相對恒定。但是，逐漸放電使電池電壓與電池的剩余電量水平無關(guān)。

精確測量電荷水平

為了確定電池中的可用電量，首選簡單的監(jiān)測方法。它們應(yīng)該消耗很少的能量，并且應(yīng)該（理想情況下）允許人們從電池電壓推斷出充電水平。然而，這種僅電壓方法會產(chǎn)生不可靠的結(jié)果，因為電壓和可用電荷之間沒有明確的相關(guān)性（圖5）。電池電壓也取決于溫度，動態(tài)松弛效應(yīng)會導(dǎo)致負(fù)載電流減小后端電壓緩慢增加。因此，純粹基于電壓的監(jiān)控不太可能提供優(yōu)于25%的充電水平精度。

相對充電水平，通常稱為充電狀態(tài) （SOC），定義為剩余電荷與電池充電容量的比率。因此，必須通過稱為“庫侖計數(shù)”的程序來測量和監(jiān)測電荷流。在實(shí)踐中，庫侖計數(shù)是通過對流入和流出電池的電流進(jìn)行積分來實(shí)現(xiàn)的。為了使用高分辨率ADC測量這些電流，通常將一個小電阻與陽極串聯(lián)。

電量計學(xué)習(xí)

電池SOC與上述參數(shù)之間的功能關(guān)系無法通過分析相關(guān)，因此必須根據(jù)經(jīng)驗確定電池容量和電荷。沒有廣泛的分析模型可用于計算（具有足夠精度）電池在實(shí)際工作條件下的容量，例如溫度，充電循環(huán)次數(shù)，電流，年齡等。理論模型僅適用于某些“局部”條件。為了確定相對電荷水平，它們在本地應(yīng)用并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。

為了在使用電池時達(dá)到足夠的精度，必須通過稱為電量計“學(xué)習(xí)”的過程不斷校準(zhǔn)模型參數(shù)。結(jié)合庫侖計數(shù)，這種方法產(chǎn)生的電量計精確到百分之幾以內(nèi)。

電量計選擇

現(xiàn)代集成電路可以確定所有類型的二次電池、電池配置和應(yīng)用的 SOC。盡管電源電流較低（活動模式下約為60μA，睡眠模式下約為1μA），但這些IC仍能實(shí)現(xiàn)高精度。電量計 IC 分為三類（表 2）。由于鋰基電池是許多應(yīng)用的首選，因此所示示例基于鋰離子和鋰聚合物電池。

庫侖計數(shù)器，有時稱為電池監(jiān)視器，是測量、計數(shù)和轉(zhuǎn)換上述電池參數(shù)的 IC，包括電荷、溫度、電壓、負(fù)載周期和時間。由于庫侖計數(shù)器不處理測量的變量，因此它們不是智能的。DS2762就是這樣一種器件，它已經(jīng)包括一個集成的高精度25mΩ電阻，用于測量電流。該器件可監(jiān)控溫度、電池電壓和電流，并具有1-Wire?總線，允許駐留在電池組或主機(jī)系統(tǒng)中的微控制器讀取所有讀數(shù)。它還提供了二次鋰電池所必需的安全電路。其結(jié)果是一個靈活、經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)，需要大量的知識和開發(fā)工作（盡管成本被IC供應(yīng)商提供的軟件、模型和支持所抵消）。

庫侖計數(shù)器的另一種方法是燃油表。這些一體化設(shè)備使用學(xué)習(xí)算法執(zhí)行電量計程序，并自行執(zhí)行所有必要的測量。電量計通常部署在稱為智能電池的智能自主電池中。由于集成電量計的開發(fā)工作量要少得多，因此這種方法非常適合需要快速上市的應(yīng)用。DS2780就是這樣一種電量計，允許主機(jī)使用1-Wire總線讀取SOC。

另一種選擇是可編程電量計，其中包括具有相當(dāng)靈活性的集成微控制器。例如，MAX1781包括集成RISC內(nèi)核、EEPROM和RAM。該器件使開發(fā)人員能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電池模型、電量計例程和測量。集成 LED 驅(qū)動器支持簡單而準(zhǔn)確的 SOC 指示。

總結(jié)

可充電電池的電量計量是一項復(fù)雜的任務(wù)，因為影響電池容量的許多相互依賴的參數(shù)。因此，簡單的測量方法可提供不準(zhǔn)確的結(jié)果，而這些結(jié)果僅適用于非關(guān)鍵應(yīng)用。然而，通過使用現(xiàn)成的電量計IC，可以實(shí)現(xiàn)高精度和可靠的電量計。

審核編輯：郭婷