在電池管理系統(tǒng)中使用專用電量計(jì)獲得精確的電池電量

電池容量是衡量電池性能的重要性能指標(biāo)之一，它表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等）電池放出的電量，即電池的容量，通常以安培·小時(shí)為單位（簡(jiǎn)稱，以A·H表示，1A·h=3600C）。任何使用電池供電產(chǎn)品或設(shè)備的人都會(huì)意識(shí)到準(zhǔn)確的電池容量指示器的重要性。讓我們的設(shè)備在沒(méi)有任何警告的情況下突然死機(jī)是非常令人沮喪的。

我們給一個(gè)電池以恒流放電，放出多少電量就是這個(gè)電池的容量，但是鋰電池就不行，它有個(gè)最低放電電壓，即放電電壓不能低于2.75V，通常以3.0V為下限保護(hù)電壓。例如鋰電池容量是1000mAh,則充放電電流就1000mA,在電池最高電壓4.2V內(nèi)放到3.0V，放出來(lái)的容量才是電池最真實(shí)的容量。然而對(duì)于不同電壓的電池，我們就不能單純的用安時(shí)來(lái)代表容量，比如一塊12V 20AH的電池，一塊15V20AH的電池，哪怕都是20AH，供給相同功率負(fù)載，設(shè)備都能正常工作，但持續(xù)時(shí)間是不一樣的，所以標(biāo)準(zhǔn)容量應(yīng)該以功為單位。

傳統(tǒng)上，指示電池容量的最簡(jiǎn)單方法是使用模擬比較器測(cè)量電池電壓，并在低于預(yù)定閾值時(shí)生成簡(jiǎn)單的低電量警告。在已經(jīng)具有通用微控制器 (MCU) 的產(chǎn)品中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以獲取更準(zhǔn)確的（數(shù)字）電壓讀數(shù)，將該讀數(shù)與一組預(yù)定義的電平進(jìn)行比較，并生成更復(fù)雜的電池電量指示器。

但是，如果我們在負(fù)載條件可變的應(yīng)用中查看實(shí)際電池的電壓曲線，我們很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的基于電壓的讀數(shù)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。假設(shè)一個(gè)單串聯(lián)電池供電系統(tǒng)需要在電池電壓為 3.7V 時(shí)發(fā)出警報(bào)，這是基于約 15% 充電狀態(tài)（其中 0% 為空，100% 為空）的開路電壓 (OCV)已滿）。挑戰(zhàn)在于電池電壓可能會(huì)在穩(wěn)定之前多次超過(guò) 3.7V。系統(tǒng)可能會(huì)過(guò)早警告最終用戶并縮短運(yùn)行時(shí)間，或者過(guò)晚發(fā)出警告并導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，甚至可能損壞硬件。

圖 1 是同一電池在不同溫度下響應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的示例。在低溫下使用較低的電流有助于耗盡電池的所有容量。放電深度 (DOD)（DOD = 1 – 真實(shí)充電狀態(tài)）使 X 軸標(biāo)準(zhǔn)化。電壓響應(yīng)似乎是兩種不同的動(dòng)物！

圖 1：電池電壓對(duì)不同溫度下動(dòng)態(tài)負(fù)載的響應(yīng)

老化是另一個(gè)問(wèn)題。一旦電池的當(dāng)前滿容量由于老化而低于其原始滿容量的 80%，它將很快下降到其壽命終止?fàn)顟B(tài)。對(duì)于老化的電池，電壓 = 3.7V 可能表示幾乎沒(méi)有剩余容量。

在許多情況下，通用 MCU 的 ADC 精度通常不足以進(jìn)行準(zhǔn)確的充電狀態(tài)計(jì)算。對(duì)于某些電池，1mV 誤差會(huì)轉(zhuǎn)換為 1% 的充電狀態(tài)誤差。圖 2 是一個(gè)示例，其中 ±20mV 精度意味著平坦區(qū)域中 20% 的充電狀態(tài)誤差，假設(shè)我們需要 OCV。

圖 2：OCV 讀數(shù)誤差引起的 DOD 百分比誤差

此外，系統(tǒng)中的通用 MCU 可能有許多功能塊和許多并行進(jìn)行的其他任務(wù)。它可能不是最節(jié)能的解決方案或最準(zhǔn)確的電池電量指示器。但是通過(guò)添加一個(gè)小型外部專用電量計(jì)設(shè)備，我們可以獲得更準(zhǔn)確和功率優(yōu)化的解決方案。

如果便攜式設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于空閑/低功耗狀態(tài)，則主 MCU（可能比專用儀表設(shè)備消耗更多功率）不必為了檢查電池狀況而喚醒并消耗功率. 雖然 MCU 可能需要幾毫安來(lái)測(cè)量和計(jì)算充電狀態(tài)，但離散量規(guī)消耗的電量?jī)H為 MCU 消耗量的一小部分——平均電流為 20 至 30μA，睡眠模式開啟。采用適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砑夹g(shù)，它甚至可以降至 <2μA。

TI 的離散量規(guī)硬件專門為電池管理而設(shè)計(jì)。儀表設(shè)備以最小的功耗進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。但是，如果沒(méi)有合適的電池模型和支持的電量計(jì)算法，測(cè)量值只是當(dāng)前時(shí)刻的反映。TI 模型和儀表算法包含多種不同類型電池的電化學(xué)特性，并已在該領(lǐng)域的數(shù)百萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

此外，TI 分立式儀表提供附加功能，例如黑盒電池取證、健康指示和智能充電控制。準(zhǔn)確的儀表設(shè)備有助于將電源管理提升到另一個(gè)級(jí)別，以增強(qiáng)客戶體驗(yàn)。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，百分比預(yù)測(cè)增加了產(chǎn)品的復(fù)雜性和智能性，并立即改善了最終用戶體驗(yàn)。