滿足所有設(shè)計(jì)的電量計(jì)

隨著智能手機(jī)和平板電腦等傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展進(jìn)入停滯期，許多有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)工程師開始專注于下一波創(chuàng)新浪潮。有一部分創(chuàng)新采用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的形式，充分發(fā)揮通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭子谠L問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)，從而有可能利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。其中許多設(shè)備無(wú)需插電，利用電池進(jìn)行工作，或者在斷電的情況下使用電池作為備用，非常方便。

圖1

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式中，通常組織龐大的團(tuán)隊(duì)，每一項(xiàng)開發(fā)任務(wù)都有專門的工程師負(fù)責(zé)；形成鮮明對(duì)比的是，現(xiàn)在越來(lái)越強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)的小型化和靈活性，以便盡快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，以及觀察其被接受程度，從而制定該產(chǎn)品領(lǐng)域的投資決策。也有許多初創(chuàng)公司擁有極富創(chuàng)造力的工程師，其核心競(jìng)爭(zhēng)力不一定是電路設(shè)計(jì)，而更多是應(yīng)用軟件開發(fā)或工業(yè)設(shè)計(jì)。這些工程師有時(shí)候?qū)㈦娮釉O(shè)計(jì)視為實(shí)現(xiàn)其想法的手段，而軟件才是將其與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開來(lái)的關(guān)鍵所在。另外還有日益盛行的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)(Maker Movement)，愛好者純粹為了自身樂(lè)趣而創(chuàng)造新事物，或者僅僅因?yàn)閭€(gè)人原因而奉獻(xiàn)出巨大的熱情。

電池管理的復(fù)雜性可能與這些頭腦風(fēng)暴風(fēng)馬牛不相及。他們只需要開箱即用的東西，并且很容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的電量計(jì)量方法中，需要團(tuán)隊(duì)中的電源或電池專家與電量計(jì)廠商協(xié)同工作，建立適合電池使用的模型。其中包括在各種負(fù)載和溫度條件下對(duì)電池進(jìn)行特征分析(如果有包含恒溫箱的專用電池測(cè)試設(shè)備可供使用)，或者將電池運(yùn)輸?shù)诫娏坑?jì)制造商的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行特征分析。這就可能涉及到實(shí)際成本和無(wú)形成本。僅僅鋰離子電池的運(yùn)輸物流就要接受越來(lái)越嚴(yán)格的安全審查，以及運(yùn)輸時(shí)間問(wèn)題。電池交付給電量計(jì)廠家后，可能需要數(shù)周的時(shí)間在各種不同負(fù)載和溫度條件下對(duì)電池進(jìn)行完全地特征分析并建立模型。然后系統(tǒng)設(shè)計(jì)師才能夠?qū)⒍ㄖ频碾姵啬Ｐ吞砑拥诫娏坑?jì)中，開始評(píng)估和落實(shí)最終設(shè)計(jì)。

Maxim Integrated將最先進(jìn)的超低功耗、混合信號(hào)IC技術(shù)與其ModelGauge™ m5 EZ電量計(jì)算法緊密結(jié)合，適逢其時(shí)地推出了創(chuàng)新解決方案。該算法被內(nèi)置到MAX1720x/MAX1721x超低功耗獨(dú)立式電量計(jì)IC。MAX17201/MAX17211監(jiān)測(cè)單節(jié)電池；MAX17205/MAX17215監(jiān)測(cè)和平衡2節(jié)或3節(jié)電池組，或者監(jiān)測(cè)多節(jié)串聯(lián)電池組。通過(guò)Maxim 1-Wire® (MAX17211/MAX17215)或2線 I2C (MAX17201/MAX17205)接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)和控制寄存器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師利用評(píng)估軟件中的配置向?qū)?，很容易生成適合具體應(yīng)用的電池模型，不存在與定制電池特征化相關(guān)的任何難題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師只需提供三條信息：1) 電池的設(shè)計(jì)容量是多少(常見于電池標(biāo)簽或數(shù)據(jù)資料)；2) 每節(jié)電池的電壓為多少時(shí)即認(rèn)為電池電量為空(取決于應(yīng)用限制)；以及3) 電池充電電壓是否高于4.275V (多節(jié)電池串聯(lián)時(shí)，則指每節(jié)電池)。見圖2。

圖2

或

除電池建模外，配置向?qū)н€指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師完成各種硬件配置功能，例如：

·電池組原理圖(與多節(jié)串聯(lián)電池相關(guān))

·串聯(lián)電池的數(shù)量

·關(guān)斷模式(如果電池與系統(tǒng)分離)

·檢測(cè)電阻選擇

·溫度測(cè)量——IC內(nèi)部或使用外部熱敏電阻

·基于不同條件的報(bào)警，例如電壓、電流、溫度或電池電量狀態(tài)(SOC %)、過(guò)流檢測(cè)、極性

·電池壽命記錄

·通用非易失存儲(chǔ)器的使用

這就省去了對(duì)IC編程時(shí)為了設(shè)置寄存器而手動(dòng)執(zhí)行各種配置時(shí)復(fù)雜而容易發(fā)生錯(cuò)誤的任務(wù)。

那么在實(shí)際中是如何工作的呢？注意愛迪生在1883年的言論：“某人一旦開始從事輔助電池的工作，就算是挖掘出了撒謊的潛力。”全面、清晰地了解這項(xiàng)新技術(shù)的表現(xiàn)，避免夸大其詞非常重要。

Maxim開發(fā)了龐大的電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，包括電池在類似于用戶使用場(chǎng)景的各種測(cè)試條件下的特性和行為。這使得Maxim能夠利用之前收集的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電量計(jì)算法的任何改進(jìn)。利用該數(shù)據(jù)，Maxim分析了數(shù)百種不同容量電池的性能，繪制直方圖數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3

數(shù)據(jù)表明，在室溫及更高溫度下，94%以上測(cè)試用例的SOC誤差小于3%。這些測(cè)試用例排除了某些類型的電池，這些電池與更傳統(tǒng)、常規(guī)的化學(xué)物質(zhì)相比，開路電壓(OCV)與SOC%關(guān)系存在較大差異。

盡管這些結(jié)果看起來(lái)非常好，但如果我們?cè)诿糠N情況下使用定制精調(diào)的電池模型，會(huì)犧牲多少性能呢？圖4所示的直方圖為EZ模型與“精調(diào)”定制模型的比較，繪制成測(cè)試用例百分比與其誤差區(qū)間的關(guān)系。雖然1%區(qū)間的精調(diào)模型的用例數(shù)量確實(shí)較高，但3%誤差以下所有測(cè)試用例的集合表明，EZ模型涵蓋了95%的測(cè)試用例，而定制模型涵蓋了97%的測(cè)試用例?？紤]到建立定制模型所需的額外工作量、資源和時(shí)間，EZ模型看起來(lái)實(shí)際上非常具有吸引力。

圖4

另一種方式是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許的特定誤差預(yù)算范圍內(nèi)對(duì)EZ和定制模型進(jìn)行比較。圖5所示為誤差預(yù)算小于3%和小于5%情況下的對(duì)比。

與0%至100% SOC范圍內(nèi)的最差條件誤差相比，電量接近為空(例如10%)時(shí)的電量計(jì)精度實(shí)際上更有意義。如果電池狀態(tài)大約為50%，電量計(jì)指示為40%或60% (10%誤差)，不大可能會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題，因?yàn)樵诖藭r(shí)不會(huì)做出什么關(guān)鍵的電池管理決策。然而，當(dāng)電池狀態(tài)為10%時(shí)，如果電量計(jì)指示為5% SOC，那么系統(tǒng)很可能會(huì)過(guò)早關(guān)斷，電池將得不到充分利用。相反，如果電池狀態(tài)為5%，而電量計(jì)指示為10% SOC，系統(tǒng)很可能會(huì)意外停機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)有序地關(guān)斷。以上兩種情況都會(huì)造成很差的用戶體驗(yàn)——前者造成工作時(shí)間短于預(yù)期，而后者造成突然關(guān)斷，使用戶感覺(jué)非常厭煩。

圖5

如果應(yīng)用具有更嚴(yán)格的要求，并且也需要較高的低溫精度(0攝氏度)，類似的分析表明，SOC誤差預(yù)算小于5%時(shí)的結(jié)果接近相同。

所以，對(duì)于大量的各種應(yīng)用，EZ配置性能的簡(jiǎn)單性就改變了新產(chǎn)品開發(fā)的規(guī)則。

那么是什么原因使得ModelGauge m5 EZ配置能夠提供如此好的結(jié)果呢？奧妙之處在于擁有專利的ModelGauge m5算法利用實(shí)時(shí)電測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，并將其轉(zhuǎn)換為有用的SOC%及其它電池信息。該算法擁有多種機(jī)制來(lái)消除模型與實(shí)際在用電池不匹配造成的誤差。這些機(jī)制也消除電測(cè)量中的誤差，防止對(duì)SOC%輸出造成不利影響。此外還有多種自適應(yīng)機(jī)制來(lái)幫助電量計(jì)學(xué)習(xí)電池特性和提高精度。

ModelGauge m5算法既有庫(kù)侖計(jì)出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計(jì)出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。算法的核心整合了OCV狀態(tài)估算和庫(kù)倫計(jì)數(shù)器。將Li+電池的OCV值與SOC%相關(guān)聯(lián)，并且這種關(guān)系在很大程度上與電池老化無(wú)關(guān)(見圖6)。

圖6. 電池的SOC%與OCV關(guān)系不隨老化而變化

在電池充放電循環(huán)中，上、下穿越該曲線的過(guò)程很大程度上消除了模型與電池不匹配造成的本地誤差。最初，電池首次連接到電量計(jì)IC時(shí)，與庫(kù)倫計(jì)數(shù)輸出相比，OCV狀態(tài)評(píng)估的權(quán)重較大。隨著電池在應(yīng)用中繼續(xù)使用，庫(kù)倫計(jì)數(shù)器精度提高，混合算法改變權(quán)重，使庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的結(jié)果起主要作用。由此，IC切換至伺服混合算法。伺服混合算法可以對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)進(jìn)行固定幅度的連續(xù)誤差修正，根據(jù)OCV估算誤差的趨勢(shì)，調(diào)高或調(diào)低估算值，這允許快速修正庫(kù)倫計(jì)數(shù)和OCV估算之間的差異?；旌纤惴óa(chǎn)生的結(jié)果輸出不會(huì)因?yàn)殡娏鳒y(cè)量失調(diào)誤差而產(chǎn)生漂移，比獨(dú)立OCV估算算法更穩(wěn)定(見圖7)。

圖7

無(wú)論在應(yīng)用的工作過(guò)程中還是在待機(jī)條件下，連續(xù)對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器進(jìn)行修正。就實(shí)際情況而言，這意味著每天對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器修正200,000次以上——步距非常微小，用戶幾乎感覺(jué)不到。無(wú)論電池是負(fù)載還是空載，都進(jìn)行修正，與電池是否空閑無(wú)關(guān)；與其它競(jìng)爭(zhēng)算法相比，這具有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著溫度和電池放電率的變化，能夠供給系統(tǒng)的電荷總量也會(huì)發(fā)生變化。ModelGauge m5算法能夠區(qū)分剩余電池容量和可供系統(tǒng)使用的剩余容量，并向用戶報(bào)告兩個(gè)結(jié)果。

算法根據(jù)電池模型和應(yīng)用信息定期進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)，以消除初始誤差，隨著電池老化仍可維持計(jì)量精度。算法始終進(jìn)行這種微調(diào)，避免系統(tǒng)不穩(wěn)定，還可防止電量計(jì)輸出出現(xiàn)任何顯著變化。自動(dòng)學(xué)習(xí)無(wú)需主處理器進(jìn)行任何輸入。除了估算電池的電量狀態(tài)外，IC也觀察電池的空載響應(yīng)并調(diào)節(jié)電壓電量計(jì)的動(dòng)態(tài)操作。

ModelGauge m5算法包括一項(xiàng)功能，可保證電量計(jì)輸出覆蓋電池電壓達(dá)到空電壓時(shí)的0%。當(dāng)電池電壓達(dá)到預(yù)期空電壓時(shí)，IC平滑調(diào)節(jié)SOC%的變化率，使得電量計(jì)在電池達(dá)到空電壓時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告0%。這可防止意外關(guān)斷或者電量計(jì)過(guò)早報(bào)告0% SOC。這也提供了可消除模型不匹配引起的SOC%誤差的附加方法。

IC在較寬的工作條件下自動(dòng)補(bǔ)償老化、溫度和放電率并以毫安時(shí)(mAh)或百分比(%)提供精確的電量狀態(tài)(SOC)。IC精確估算剩余工作時(shí)間、充滿時(shí)間、Cycle+TM老化預(yù)測(cè)，以及三種報(bào)告電池壽命的方法：容量降低、電池電阻增大和充電次數(shù)。

IC提供精確的電流、電壓和溫度測(cè)量。利用內(nèi)部溫度測(cè)量，以及輔助輸入支持比例測(cè)量，采用外部熱敏電阻測(cè)量電池組的溫度。通過(guò)檢測(cè)高電壓或低電壓、電流、溫度或電量狀態(tài)，IC可提供報(bào)警。IC也包括兩個(gè)可編程、快速過(guò)流比較器，允許檢測(cè)系統(tǒng)電流中的尖峰并報(bào)警，使系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，防止此類可能造成電池突然崩潰的狀況。兩個(gè)比較器均具有可編程門限和可編程去抖延時(shí)。

為防止假冒電池，IC是唯一集成SHA-256認(rèn)證及160位密鑰的獨(dú)立式電量計(jì)。每片IC具有唯一的64位ID。

IC采用便于制造、無(wú)鉛、3mm x 3mm、14引腳、TDFN封裝。

總而言之，最先進(jìn)的電量計(jì)技術(shù)基于數(shù)十年的電池管理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為從大型制造商到初創(chuàng)企業(yè)和愛好者的各類用戶提供世界級(jí)的電量計(jì)精度。ModelGauge m5 EZ產(chǎn)品允許設(shè)計(jì)師專注于其擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，而無(wú)需擔(dān)心電量計(jì)實(shí)施。