表征 Li+ 電池以便與電量計(jì)配合使用

準(zhǔn)確的電池電量計(jì)依賴于了解電池在不同環(huán)境和工作條件下的行為的幾個(gè)特性。要收集這些所需信息，必須在已知條件下對(duì)電池進(jìn)行特性分析。本應(yīng)用筆記概述了對(duì)電池進(jìn)行特性分析的分步方法，包括如何收集和解釋數(shù)據(jù)。它還解釋了如何將數(shù)據(jù)集成到 Maxim 電池管理設(shè)備的評(píng)估軟件中，以便與電量計(jì)軟件算法一起使用。

介紹

為了準(zhǔn)確估算 Li+ 電池的剩余容量，必須了解電池如何隨溫度和各種電流負(fù)載而變化。本應(yīng)用筆記概述了一種方法，用于表征 Li+ 電池、收集和解釋數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加載到 Maxim 電池管理設(shè)備的評(píng)估軟件中，以便與電量計(jì)一起使用。該設(shè)備將使用累積電流寄存器 (ACR) 監(jiān)控流入和流出 Li+ 電池的電流，電量計(jì)將 ACR 與計(jì)算出的電池滿點(diǎn)和空點(diǎn)進(jìn)行比較，以確定剩余容量。

表征 Li+ 電池的程序

1. 確定充電和放電曲線

表征 Li+ 電池的最佳方法是創(chuàng)建一個(gè)盡可能接近實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境。這包括保護(hù)電路、由應(yīng)用的典型有源電流和待機(jī)電流組成的放電曲線、充電曲線以及應(yīng)用可能遇到的環(huán)境溫度。這需要一種方法來模擬電池的充電和放電以及改變溫度的能力。通常，用于表征的溫度范圍為 0°C 至 40°C，步長(zhǎng)為 10°C。評(píng)估軟件要求溫度點(diǎn)相差 10°C。

工作電流是終端用戶使用應(yīng)用時(shí)從 Li+ 電池吸取的典型電流。待機(jī)電流是應(yīng)用處于空閑狀態(tài)時(shí)從 Li+ 電池吸取的典型電流。

評(píng)估軟件的電量計(jì)部分所指的活動(dòng)空點(diǎn)和待機(jī)空點(diǎn)定義為 Li+ 電池在活動(dòng)電流和待機(jī)電流負(fù)載下達(dá)到空電壓(由用戶定義)時(shí)的容量?？拯c(diǎn)如圖1所示，可在步驟 5 中找到。用戶可以為活動(dòng)電流和待機(jī)電流負(fù)載定義單獨(dú)的空電壓。滿點(diǎn)定義為充電電路認(rèn)為 Li+ 電池已充滿電時(shí)的容量。有關(guān)使用Maxim 電池管理器件和電量計(jì)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用筆記 131“使用 Maxim 電池監(jiān)控 IC 進(jìn)行鋰離子電池電量計(jì)”。

圖 1. 逐步放電過程中電壓和電流隨時(shí)間的變化。

2.校準(zhǔn)設(shè)備的失調(diào)寄存器

按照特定器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的說明，將 Maxim 電池管理器件正確連接到 Li+ 電池后，下一步就是校準(zhǔn)器件的偏移。使用特定器件的評(píng)估軟件，校準(zhǔn)偏移很容易。確保電路上沒有負(fù)載，然后單擊“儀表”選項(xiàng)卡上的“校準(zhǔn)偏移”按鈕。如果不使用評(píng)估軟件，應(yīng)用筆記 224“校準(zhǔn) DS2761 的偏移寄存器”中提供了校準(zhǔn)偏移的分步方法。

3. 開始記錄數(shù)據(jù)

使用評(píng)估軟件可以輕松記錄數(shù)據(jù)。只需轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)記錄”選項(xiàng)卡，將“采樣間隔”設(shè)置為 15 秒，然后單擊“記錄數(shù)據(jù)”。建議使用 15 秒間隔，因?yàn)樗梢杂涗涀銐虻臄?shù)據(jù)來捕獲所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不會(huì)創(chuàng)建太大的文件。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都將記錄到指定的文件名中，直到按下“停止記錄數(shù)據(jù)”按鈕。

4. 在室溫下循環(huán)電池

一個(gè)重要的初始步驟是磨合電池。通常，Li+ 電池的容量在其使用壽命的最初幾個(gè)周期內(nèi)會(huì)變化幾個(gè)百分點(diǎn)。建議在對(duì)電池進(jìn)行特性分析之前，對(duì)電池進(jìn)行 20 次完整的充電和放電循環(huán)。此時(shí)不需要記錄數(shù)據(jù)，但這樣做將允許用戶監(jiān)控設(shè)備中任何額外的偏移量，這些偏移量需要在分析最終數(shù)據(jù)時(shí)加以考慮。

5. 在最高溫度下開始校準(zhǔn)

建議在最高溫度下開始特性分析，因?yàn)橥ǔ＿@是 Li+ 電池具有最大容量的狀態(tài)，這為其余數(shù)據(jù)提供了良好的參考點(diǎn)。讓電池穩(wěn)定在最高溫度下，然后將電池完全放電至待機(jī)空電點(diǎn)。接下來，根據(jù)應(yīng)用的充電曲線對(duì)電池完全充電;這將是該溫度下的滿電點(diǎn)。然后在有功電流負(fù)載下將電池完全放電至用戶定義的有功空電電壓，以找到有功空電點(diǎn)。最后，將負(fù)載更改為待機(jī)電流值，并繼續(xù)將電池放電至待機(jī)空電電壓，以找到待機(jī)空電點(diǎn)。

為了加快這一過程，用戶可以選擇將電流從有功電流負(fù)載降低到待機(jī)電流負(fù)載。考慮圖 1 所示的示例，其中有功電流定義為 200mA，待機(jī)電流定義為 5mA，兩者的空電壓均定義為 3.3V?？梢越邮艿淖龇ㄊ?，在 200mA 負(fù)載下將電池放電至 3.3V 以達(dá)到有功空電壓點(diǎn)，然后，讓電池靜置幾秒鐘后，在電池上施加 100mA 負(fù)載，直到再次達(dá)到空電壓。繼續(xù)將電流負(fù)載降低至 50mA、20mA、10mA 和最后 5mA，直到達(dá)到空電壓，該點(diǎn)將成為待機(jī)空電壓點(diǎn)。這將使電池達(dá)到同一點(diǎn)，而無需在 5mA 負(fù)載下放電電池所需的延長(zhǎng)時(shí)間。

6. 在每個(gè)溫度下重復(fù)

一旦達(dá)到某個(gè)溫度的待機(jī)空點(diǎn)，就轉(zhuǎn)到下一個(gè)溫度并開始完全充電。充電完成后，即為該溫度下的滿點(diǎn)。然后放電至活動(dòng)和待機(jī)空點(diǎn)。繼續(xù)此過程，逐步完成所有所需的溫度點(diǎn)。

根據(jù)特性數(shù)據(jù)確定數(shù)據(jù)點(diǎn)

評(píng)估軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以制表符分隔格式記錄到文本文件中，以便輕松導(dǎo)入電子表格。然后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序或繪制圖表以找到所需的數(shù)據(jù)。

7. 找到所有必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)

然后，用戶可以對(duì)日志文件進(jìn)行排序，并標(biāo)記所有滿點(diǎn)、活動(dòng)空點(diǎn)和待機(jī)空點(diǎn)。執(zhí)行此操作的一種簡(jiǎn)單方法是滾動(dòng)瀏覽數(shù)據(jù)并查看“電流”列，注意電流讀數(shù)的變化，并在電子表格的未使用列中放置“x”。例如，當(dāng)電流從充電變?yōu)榉烹姇r(shí)，標(biāo)記滿點(diǎn)，或者當(dāng)活動(dòng)電流負(fù)載結(jié)束時(shí)，標(biāo)記為活動(dòng)空點(diǎn)，或者當(dāng)電流從放電變?yōu)槌潆姇r(shí)，標(biāo)記為待機(jī)空點(diǎn)。然后使用電子表格應(yīng)用程序的自動(dòng)過濾功能輕松查看已標(biāo)記的興趣點(diǎn)。

表 1顯示了 DS2761 在表征 Li+ 電池時(shí)收集的數(shù)據(jù)示例，其中過濾出并標(biāo)記了感興趣的數(shù)據(jù)點(diǎn)。本例中使用的充電曲線是 900mA 的恒定電流充電，直到電壓達(dá)到 4.2V。然后，以 4.2V 的恒定電壓對(duì)電池進(jìn)行充電，直到電流逐漸減小到 70mA 以下，這被定義為滿點(diǎn)。在 350mA 負(fù)載下，活動(dòng)空點(diǎn)定義為 3.0V。在 3mA 負(fù)載下，待機(jī)空點(diǎn)定義為 2.7V。電池在 40°C、30°C、20°C、10°C 和 0°C 下進(jìn)行表征。

如果在步驟 4 中記錄了電池循環(huán)過程中的數(shù)據(jù)，則可以比較空點(diǎn)以查看是否存在增加或減少的趨勢(shì)，這將表明電流讀數(shù)中存在一些偏移。由于循環(huán)是在恒定溫度下進(jìn)行的，因此如果偏移完全消除，空點(diǎn)應(yīng)該全部對(duì)齊。如果檢測(cè)到偏移，則需要將其作為偏移量添加到 ACR 列中，以獲得 Li+ 電池的準(zhǔn)確特性。

表 1. Li+ 電池的特性數(shù)據(jù)

8.確定容量數(shù)據(jù)點(diǎn)

用于確定不同溫度下 Li+ 電池滿電點(diǎn)和空電點(diǎn)的數(shù)據(jù)將是日志文件 ACR 列中的數(shù)據(jù)。滿電點(diǎn)和空電點(diǎn)是相對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要參考一個(gè)固定數(shù)據(jù)點(diǎn)。選擇最高溫度下的待機(jī)空電點(diǎn)作為參考點(diǎn)，因?yàn)樗ǔＪ?ACR 在特性分析過程中達(dá)到的最低點(diǎn)(此點(diǎn)在表 1 中突出顯示)。因此，所有讀數(shù)都將大于此點(diǎn)，以便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

表 2顯示了表 1 中每個(gè)關(guān)注點(diǎn)的 ACR 讀數(shù)。選擇 40°C 時(shí)的待機(jī)空電點(diǎn)作為參考點(diǎn)，因此所有 ACR 讀數(shù)都應(yīng)減去 71.04mAhrs，以確定其他滿電點(diǎn)和空電點(diǎn)。表 3 顯示了 40°C 時(shí)待機(jī)空電點(diǎn)相對(duì)滿電點(diǎn)和空電點(diǎn)的簡(jiǎn)單表格，可以輕松輸入評(píng)估軟件并存儲(chǔ)在設(shè)備中。

表 2. 從表 1 中提取的滿點(diǎn)和空點(diǎn)

表 3. 滿電點(diǎn)和空電點(diǎn)(以 40°C 時(shí)的待機(jī)空電點(diǎn)為參考)

9. 確定斷點(diǎn)

估算剩余充電時(shí)間時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是斷點(diǎn)。斷點(diǎn)用于用兩條線近似充電期間的 ACR 曲線，如圖2所示。斷點(diǎn)由用戶選擇為 ACR 曲線“斷裂”的點(diǎn)，以便兩條線近似的誤差最小。

圖 2. 20°C 充電期間 ACR 和 2-Line 近似值隨時(shí)間的變化。

確定斷點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是繪制充電過程中 ACR 隨時(shí)間變化的圖表，然后目測(cè)曲線的斷點(diǎn)。建議從中間溫度選擇 ACR 曲線，并在所有溫度下使用該斷點(diǎn)。斷點(diǎn)將存儲(chǔ)為小于滿點(diǎn)的 mAhr 數(shù)。在圖 2 中，斷點(diǎn)比滿點(diǎn)少約 100mAhrs。

10.確定充電時(shí)間估算數(shù)據(jù)點(diǎn)

FuelPack 算法需要斷點(diǎn)、從空到滿的分鐘數(shù)以及從斷點(diǎn)到滿的分鐘數(shù)，才能準(zhǔn)確估計(jì)剩余的充電時(shí)間。有必要回顧數(shù)據(jù)并標(biāo)記所有斷點(diǎn)。只需找到滿點(diǎn)并回顧在步驟 9 中選定為斷點(diǎn)的 mAhr 數(shù)即可。

根據(jù)表 1 中的數(shù)據(jù)，獲取前一個(gè)溫度(即充電開始時(shí)間)、斷點(diǎn)和滿電點(diǎn)下每個(gè)待機(jī)空電點(diǎn)的時(shí)間戳，如表 4所示。表 4 還顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 ACR。然后使用這些時(shí)間戳計(jì)算每個(gè)溫度下空電和滿電之間的分鐘數(shù)以及斷點(diǎn)到滿電之間的分鐘數(shù)，如表 5所示。評(píng)估軟件的電量計(jì)算法僅為 3 個(gè)溫度的充電數(shù)據(jù)分配足夠的 EEPROM，因此應(yīng)將 0°C、20°C 和 40°C 的數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。

表 4. 各溫度下待機(jī)空電點(diǎn)、斷電點(diǎn)和滿電點(diǎn)的時(shí)間戳

表 5. 估算剩余充電時(shí)間所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)

11. 使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程

使用評(píng)估套件對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)來自表 3 和表 5。手動(dòng)將數(shù)據(jù)輸入到“Pack Info”選項(xiàng)卡的“Fuel Gauging Data”子選項(xiàng)卡的文本框中，如圖3所示，然后單擊“Write”按鈕(未顯示)。數(shù)據(jù)將寫入設(shè)備的暫存器，然后復(fù)制到 EEPROM。

圖3. 將電量計(jì)量所需的數(shù)據(jù)加載到評(píng)估軟件中。

12. 同步 ACR

準(zhǔn)確報(bào)告 Li+ 電池容量的最后一步是將設(shè)備的 ACR 與電池容量同步。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)應(yīng)用的充電曲線對(duì) Li+ 電池充滿電，然后將 ACR 設(shè)置為該溫度下的滿點(diǎn)。要使用評(píng)估軟件執(zhí)行此操作，請(qǐng)單擊“電量計(jì)量”選項(xiàng)卡上的“啟動(dòng)電量計(jì)量”按鈕啟動(dòng)電量計(jì)量，如圖4所示。充電完成后，單擊“電量計(jì)量”選項(xiàng)卡上的“滿”按鈕，ACR 將與電池容量同步。

圖4.評(píng)估軟件的電量計(jì)量選項(xiàng)卡。

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概括

Maxim 電量計(jì)算法提供了一種精確的方法來跟蹤 Li+ 電池在充電和放電過程中的容量。這需要了解電池的容量以及它在應(yīng)用可能遇到的各種負(fù)載和溫度下的表現(xiàn)。一旦使用 Maxim 提供的評(píng)估軟件收集和存儲(chǔ)特性數(shù)據(jù)，電量計(jì)就會(huì)準(zhǔn)確估算電池的剩余容量。