電池電量計(jì)：以精度制勝

引言移動(dòng)電話問世后，可充電電池及其相關(guān)的電量指示已成為我們信息社會(huì)的一個(gè)組成部分。對(duì)我們而言，它們就像在過去100年里發(fā)揮著重要作用的汽車燃料指示器一樣重要，唯一不同的是：司機(jī)不能容忍的是不準(zhǔn)確的燃料指示，而手機(jī)用戶則寄希望于得到高精度、高分辨率的指示器。通過簡單的方法無法實(shí)現(xiàn)高精度電量計(jì)量，只有從正確的方法入手才有可能獲得高精度。鋰離子電池在解決了諸多技術(shù)問題后，直到1997年鋰離子電池才開始大批量生產(chǎn)。因?yàn)榭梢蕴峁┳罡叩哪芰棵芏?體積密度和重量密度，見圖1)，它們被廣泛用于從移動(dòng)電話到電動(dòng)汽車的各種系統(tǒng)。

圖1. 各種電池類型的能量密度

鋰電池具有一些影響電量的關(guān)鍵特性，電池組必須包含各種安全機(jī)制，以防止電池過充電、深度放電或反向連接。由于鋰元素非?；钴S，有潛在的爆炸危險(xiǎn)，因此鋰電池不可暴露于高溫環(huán)境。

鋰離子電池的陽極由碳化物組成，陰極由金屬氧化物組成，并且采用對(duì)晶格破壞最小的方式添加鋰，這個(gè)過程被稱為植入。金屬鋰會(huì)與水發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，因此鋰電池采用非液態(tài)的有機(jī)鋰鹽作為電解質(zhì)。對(duì)鋰電池充電時(shí)，鋰原子在陰極離子化，并通過電解質(zhì)傳遞至陽極。

電池容量電池最重要的參數(shù)(除了電壓之外)是容量，單位為毫安時(shí)，其定義是電池可提供的最大電量。制造商定義的容量為電池在特定放電條件下的值，但是電池出廠后，容量會(huì)發(fā)生變化。

圖2. 溫度對(duì)電池容量的影響

電池容量與電池溫度有關(guān)(圖2)，最上方的曲線顯示了鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過程。從該曲線可以看出，與-20°C下的充電數(shù)據(jù)相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。

圖2下方的兩條曲線表示，電池放電時(shí)受溫度的影響更大，這些曲線顯示了一個(gè)完全充滿的電池在兩種不同放電電流下放電到截止點(diǎn)2.5V時(shí)的剩余電量，從這兩條曲線可以看出電池剩余容量與放電電流、溫度有關(guān)。在給定溫度和放電速率下，所能獲得的鋰電池容量是最上方曲線與下方對(duì)應(yīng)曲線的差值。因此，在低溫或大電流放電時(shí)，鋰電池所能提供的容量將大幅減少。在低溫或大電流放電時(shí)，電池剩余電量較大，能夠在相同溫度下以較小的電流放電。

自放電 由于電解質(zhì)中混有雜質(zhì)，電池內(nèi)部存在不期望的化學(xué)反應(yīng)，造成電量損失。常見的電池類型在室溫下的典型自放電率如表1所示。

表1. 自放電率ChemistrySelf-Discharge/MonthLead-acid4% to 6%NiCd15% to 30%NiMH30%Lithium2% to 3%
化學(xué)反應(yīng)的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)(圖3)。對(duì)于不同類型的電池，自放電可以用一個(gè)并聯(lián)電阻消耗漏電流進(jìn)行建模。

圖3. 鋰離子電池的自放電

老化電池容量隨著充放電次數(shù)的增加而減少(圖4)，這種變化被量化為工作壽命，即一個(gè)電池在其容量降至初始容量80%之前的充/放電次數(shù)。典型鋰電池的工作壽命為300至500次充/放電次數(shù)。

鋰電池壽命還受時(shí)間的影響，無論使用與否，其容量在出廠后即開始逐漸下降。25°C時(shí)，這種效應(yīng)可以導(dǎo)致一個(gè)完全充滿的電池每年損失20%的電量；40°C時(shí)損失35%。對(duì)于沒有完全充滿電的電池，這種老化過程較為緩慢：25°C時(shí)，殘余有40%電量的電池每年損失大約4%的電量。

圖4. 電池老化

放電曲線電池的數(shù)據(jù)資料規(guī)定了特定條件下的放電特征曲線，其中一個(gè)影響電池電壓的因素是負(fù)載電流(圖5)。不幸的是，負(fù)載電流無法通過一個(gè)簡單的源電阻建模，因?yàn)樵撾娮枞Q于其它參數(shù)，比如電池老化程度和電量水平。

圖5. 電池放電曲線

與原電池相比，可充電鋰電池表現(xiàn)出非常平坦的放電曲線。系統(tǒng)開發(fā)人員比較青睞這一特性，因?yàn)殡姵厮峁┑碾妷捍笾虏蛔?。然而，隨著電池的放電，電池電壓幾乎與剩余電量沒有關(guān)聯(lián)。

精確測量充電電壓為了確定電池的可用電量，首先要求使用簡單的檢測方法，檢測電路僅消耗微量功耗，允許用戶從電池電壓推算出電量水平(理想化)。然而，由于電壓與電量之間不存在明確的關(guān)系(圖5)，只是檢測電池電壓所能提供的結(jié)果并不可靠。另外，電池電壓還依賴于溫度以及動(dòng)態(tài)釋放效應(yīng)(降低負(fù)載電流時(shí)會(huì)使端電壓輕微回升)。因此，單純的電壓檢測方案很難保證電量監(jiān)測精度高于25%。

電量的相對(duì)水平，通常稱為充電狀態(tài)(SOC)，是指剩余電量與電池容量的比。該參數(shù)的確定需要監(jiān)測流入、流出的電荷量 — 一種所謂的“庫侖計(jì)”法。實(shí)際的庫侖計(jì)是通過對(duì)流入、流出電池的電流進(jìn)行累計(jì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。用高分辨率ADC測量該電流時(shí)，通常需要使用一個(gè)小電阻與電池陽極串聯(lián)。

電量分析

由于無法確定電池充電狀態(tài)(SOC)與上文提到的一些參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，電池容量還要依靠經(jīng)驗(yàn)確定。目前還沒有詳盡的分析模型(具有足夠精度)用于計(jì)算特定工作條件下(例如溫度、充電次數(shù)、電流等)的容量。理論模型僅適用于確定條件，為了得到相對(duì)充電水平，這些模型用于特定條件并進(jìn)行整體校準(zhǔn)。

為了達(dá)到足夠高的電量計(jì)量精度，必須不斷地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)—采用所謂的電量“學(xué)習(xí)”方式，配合庫侖計(jì)，這種方法可以使電量計(jì)量精度達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。

電量計(jì)量方案選擇對(duì)于不同類型、配置和應(yīng)用中的可充電電池，現(xiàn)代集成電路都可以確定其充電狀態(tài)(SOC)。盡管消耗少量的電源電流(工作模式消耗60µA，休眠模式消耗1µA)，這些芯片仍可獲得較高的精度。電量計(jì)芯片分為三種類型(表2)，因?yàn)殇囯姵厥嵌鄶?shù)應(yīng)用的首選，這里例舉了鋰離子和鋰聚合物電池的電量計(jì)量電路。

表2. 電量計(jì)電路PartType of Fuel-Gauge ICFunction in Battery PackFunction in Host SystemDS2762Coulomb counterMeasurementAlgorithm + displayDS2780Fuel gaugeMeasurement + algorithmDisplayMAX1781Programmable fuel gaugeMeasurement + flexible algorithmDisplay
庫侖計(jì)，有時(shí)也就是大家所熟知的電池監(jiān)測器，用于測量、計(jì)數(shù)和電池參數(shù)的轉(zhuǎn)換，包括電量、溫度、電壓、充電次數(shù)以及使用時(shí)間等參數(shù)。庫侖計(jì)無法測量變量，還沒有智能化。這類芯片中的DS2762包含了高精度的25m檢流電阻，還可監(jiān)測溫度、電池電壓和電流，并通過1-Wire®總線進(jìn)行通信，允許電池組或主機(jī)系統(tǒng)中的微控制器讀取所有數(shù)據(jù)?？梢越M成一個(gè)靈活的低成本系統(tǒng)，但需要了解相當(dāng)多的背景知識(shí)，并進(jìn)行一定的開發(fā)工作，通過IC供應(yīng)商提供的軟件、模型和支持可以降低開發(fā)成本。

另一種方法是使用電量計(jì)計(jì)算庫侖量，這種完備的集成方案可以運(yùn)行帶學(xué)習(xí)算法的電量計(jì)量，并可完成所有必要的測量。智能電池通常采用電量計(jì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，使用集成電量計(jì)所需的開發(fā)工作較少，有助于縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。DS2780即屬于完全集成的電量計(jì)，允許主機(jī)通過1-Wire®總線讀取充電狀態(tài)(SOC)，并為鋰電池提供必要的安全保護(hù)電路。

另一種選擇是采用可編程電量計(jì)，這種電量計(jì)包括微控制器，可以提供相當(dāng)大的靈活性。例如MAX1781，內(nèi)部集成了RISC核、EEPROM和RAM。開發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)電池建模、電量計(jì)編程和必要的測量。簡單、精確的充電狀態(tài)(SOC)指示可以通過內(nèi)部LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論受多種相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)的影響，對(duì)于可充電電池的電量計(jì)量成為一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。簡單的測量無法提供準(zhǔn)確的結(jié)果，僅適用于一些不重要的應(yīng)用場合。通過使用現(xiàn)成的電量計(jì)芯片，可以實(shí)現(xiàn)高精度、可靠的電量計(jì)量。

類似文章發(fā)表在Battery Power Products and Technology 2006年9月刊。

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