獲取電量計(jì)應(yīng)用中的鋰電池特性

引言

要精確估算鋰離子電池|0">Li+電池的剩余電量，有必要了解電池特性如何隨著溫度和負(fù)載電流的變化而改變。本應(yīng)用筆記介紹了一種獲取Li+電池特性的方法，討論了如何采集并處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評(píng)估軟件，用于電量計(jì)應(yīng)用中。器件通過(guò)累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數(shù)據(jù)與已計(jì)算出的電池滿(mǎn)電量和空電量進(jìn)行比較，從而確定剩余容量。

獲取Li+電池特性的步驟

1. 確定充電和放電曲線
獲取Li+電池特性的最好辦法是創(chuàng)造一個(gè)盡可能與實(shí)際應(yīng)用相類(lèi)似的環(huán)境。其中包括保護(hù)電路、放電曲線(包括實(shí)際應(yīng)用中有效電流和待機(jī)電流的典型值)、充電曲線、及應(yīng)用的周?chē)h(huán)境溫度。因此要求對(duì)電池充電和放電過(guò)程進(jìn)行模擬，并且要相應(yīng)調(diào)整工作溫度。通常情況下，應(yīng)該以10°C為步長(zhǎng)，在0°C至40°C范圍內(nèi)獲取各種電池特性參數(shù)。同時(shí)，評(píng)估軟件所要求的溫度點(diǎn)間隔也是10°C。

有效電流指用戶(hù)使用過(guò)程中Li+電池的典型輸出電流。待機(jī)電流指空閑狀態(tài)時(shí)Li+電池的典型輸出電流。

評(píng)估軟件電量計(jì)部分中Active Empty和Standby Empty分別對(duì)應(yīng)Li+電池以有效電流放電和待機(jī)電流放電到空電壓(由用戶(hù)定義)的點(diǎn)?？针娏奎c(diǎn)如圖1所示，相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)步驟5。用戶(hù)可以定義不同的有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。充電電路將Li+電池充分充電的點(diǎn)定義為滿(mǎn)電量點(diǎn)。有關(guān)使用內(nèi)置電量計(jì)的Dallas電池管理器件的詳細(xì)說(shuō)明，參見(jiàn)應(yīng)用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor。

圖1. 逐步放電過(guò)程中電壓與電流的關(guān)系

2. 校準(zhǔn)器件的失調(diào)寄存器
根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說(shuō)明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應(yīng)校準(zhǔn)器件的失調(diào)。借助于所選器件的評(píng)估軟件，可以很容易的對(duì)器件的失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)。確認(rèn)電路中沒(méi)有接入負(fù)載，然后點(diǎn)擊Meters標(biāo)簽中的Calibrate Offset按鈕。如果不使用評(píng)估軟件，可根據(jù)應(yīng)用筆記224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校準(zhǔn)失調(diào)。

3. 開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)
使用評(píng)估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進(jìn)入Data Log標(biāo)簽，設(shè)置Sample Interval為15秒并點(diǎn)擊Log Data。建議采用15秒的間隔時(shí)間，因?yàn)樵摃r(shí)間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數(shù)據(jù)點(diǎn)。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中，直到點(diǎn)擊Stop Logging Data按鈕。

4. 在室溫下激活電池
首先必須對(duì)電池進(jìn)行激活(break-in)。通常，在Li+電池壽命的初期其容量將有百分之幾的波動(dòng)。因此，建議在測(cè)試電池特性之前使其經(jīng)過(guò)20次完全充放電周期。在這一過(guò)程中無(wú)需記錄數(shù)據(jù)，但如果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶(hù)監(jiān)視其他電池失調(diào)參數(shù)，以用于最終數(shù)據(jù)分析。

5. 從最高溫度開(kāi)始校準(zhǔn)
通常建議從最高溫度開(kāi)始測(cè)試電池的特性，因?yàn)榇藭r(shí)Li+電池容量最大，適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點(diǎn)。設(shè)定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機(jī)空電量點(diǎn)。隨后，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求的充電曲線對(duì)電池充分充電，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是該溫度下的滿(mǎn)電量點(diǎn)。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶(hù)定義的有效空電壓，以確定有效空電量點(diǎn)。最后，將負(fù)載變?yōu)榇龣C(jī)電流并繼續(xù)放電，直至電壓降到待機(jī)空電壓，以確定待機(jī)空電量點(diǎn)。

如果想加速該過(guò)程，用戶(hù)可以將電流從有效電流逐步降低至待機(jī)電流。如圖1所示，設(shè)定有效電流為200mA，待機(jī)電流為5mA，兩種情況下的空電壓均定義為3.3V。采用200mA的電流將電池放電至3.3V，使電壓降到有效空電量點(diǎn)，然后，經(jīng)過(guò)幾秒鐘后，再以100mA的電流對(duì)電池放電，使其再次達(dá)到空電壓點(diǎn)。隨后放電電流逐步降低，從50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后電池電壓穩(wěn)定在空電壓，該點(diǎn)即為待機(jī)空電量點(diǎn)。這樣，不需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的5mA放電過(guò)程，即可使電池快速達(dá)到相同的空電量點(diǎn)。

6. 在各個(gè)溫度下重復(fù)操作
一旦到達(dá)某一溫度的待機(jī)空電量點(diǎn)，立即轉(zhuǎn)入下一個(gè)溫度，并開(kāi)始對(duì)電池充電直至電池滿(mǎn)充。充電完成后即到達(dá)該溫度的滿(mǎn)電量點(diǎn)。然后將電池放電到有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。在所有需要的溫度上重復(fù)上述操作，完成對(duì)電池特性的測(cè)量。

從特性參數(shù)中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)

評(píng)估軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導(dǎo)入電子表格。然后可以通過(guò)分類(lèi)或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數(shù)據(jù)。

7. 找出所有需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)
用戶(hù)可以對(duì)記錄文件里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，標(biāo)記出所有滿(mǎn)電量點(diǎn)、有效空電量點(diǎn)以及待機(jī)空電量點(diǎn)。完成上述過(guò)程的簡(jiǎn)單辦法是，瀏覽所有數(shù)據(jù)，查找Current列并觀察電流讀數(shù)的變化情況，并且在電子表格中沒(méi)有用到的列插入“x”。例如，當(dāng)電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時(shí)，記為滿(mǎn)電量點(diǎn)；當(dāng)電池停止以有效電流放電時(shí)，記為有效空電量點(diǎn)；當(dāng)電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時(shí)，記為待機(jī)空電量點(diǎn)。然后通過(guò)電子表格的自動(dòng)篩選(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各個(gè)重要的標(biāo)記點(diǎn)。

表1給出了獲取 Li+電池特性時(shí)，使用DS2761采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)篩選后，標(biāo)記出的各個(gè)重要數(shù)據(jù)點(diǎn)的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達(dá)到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點(diǎn)即為滿(mǎn)電量點(diǎn)。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)有效空電量點(diǎn)。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點(diǎn)則對(duì)應(yīng)待機(jī)空電量點(diǎn)。分別在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下獲取電池特性參數(shù)。

如果在步驟4的電池激活過(guò)程中記錄了數(shù)據(jù)，可以對(duì)空電量點(diǎn)進(jìn)行比較，以判斷其是否有增加或減少，進(jìn)而判斷電流值是否存在失調(diào)。因?yàn)槭窃诤銣貤l件下完成這一激活過(guò)程，所以如果不存在任何失調(diào)，則所有空電量點(diǎn)將完全相同。如果存在失調(diào)，則應(yīng)該根據(jù)ACR列所引入的失調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的修正，從而準(zhǔn)確測(cè)量Li+電池特性。

表1. Li+電池特性參數(shù)

Time

Voltage

Current

Temperature

ACR

Mark

Label

1:13:26 AM

3.25

918.317

40

62.38

x

Start

2:12:41 AM

4.158

480.817

40

927.97

x

Break

2:41:34 AM

4.197

68.688

39.75

1032.7

x

Full

5:26:54 AM

3.035

-345.297

40.125

81.19

x

Active Empty

7:36:03 AM

2.757

-2.475

39.875

71.04

x

Standby Empty

8:35:50 AM

4.163

440.594

30.125

930.2

x

Break

9:06:28 AM

4.197

69.307

30

1032.2

x

Full

11:50:18 AM

3.006

-344.678

30.375

94.06

x

Active Empty

1:44:11 PM

2.757

-3.094

30.125

80.69

x

Standby Empty

2:45:07 PM

4.168

376.856

20.125

929.95

x

Break

3:18:54 PM

4.197

69.926

21.125

1031

x

Full

6:00:16 PM

2.987

-345.297

20.625

110.15

x

Active Empty

7:46:43 PM

2.757

-3.094

20.5

90.1

x

Standby Empty

8:51:04 PM

4.177

306.312

10.375

928.71

x

Break

9:29:26 PM

4.197

70.545

10.5

1028.5

x

Full

12:06:02 AM

2.962

-346.535

10.875

130.94

x

Active Empty

2:01:00 AM

2.757

-3.094

10.75

100.5

x

Standby Empty

3:16:05 AM

4.182

230.817

0.625

919.06

x

Break

4:00:59 AM

4.197

69.926

0.5

1019.3

x

Full

6:28:55 AM

2.943

-350.248

1.25

161.63

x

Active Empty

9:18:10 AM

2.777

0

0.875

113.61

x

Standby Empty

8. 確定電池容量的相關(guān)數(shù)據(jù)
通過(guò)記錄文件ACR列的數(shù)據(jù)，可以確定不同溫度下Li+電池滿(mǎn)電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)。滿(mǎn)電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)只是一個(gè)相對(duì)值，需要選擇一個(gè)固定參考點(diǎn)。選擇最高溫度下的待機(jī)空電量點(diǎn)作為參考，因?yàn)樵擖c(diǎn)往往是獲取電池特性參數(shù)過(guò)程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此，所有讀數(shù)均大于該點(diǎn)的值，易于進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

表2列出了表1中所有重要的ACR值。選擇40°C時(shí)的待機(jī)空電量點(diǎn)作為參考點(diǎn)，將其他所有ACR值減去71.04mAhrs，以得出其他點(diǎn)的滿(mǎn)電量和空電量點(diǎn)。表3列出了以40°C待機(jī)空電量點(diǎn)為參考點(diǎn)的所有滿(mǎn)電量和空電量點(diǎn)的值，可以通過(guò)評(píng)估軟件很方便的將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到器件中。

表2. 表1中的滿(mǎn)電量和空電量點(diǎn)

Temperature

0

10

20

30

40

Full

1019.3

1028.5

1031

1032.2

1032.7

Standby Empty

113.61

100.5

90.1

80.69

71.04

Active Empty

161.63

130.94

110.2

94.06

81.19

表3. 以40°C的待機(jī)空電量點(diǎn)為參考點(diǎn)的滿(mǎn)電量和空電量點(diǎn)

Temperature

0

10

20

30

40

Full

948

957

960

961

962

Standby Empty

43

29

19

10

0

Active Empty

91

60

39

23

10

9. 確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)
轉(zhuǎn)折點(diǎn)是用于估計(jì)充電剩余時(shí)間的重要數(shù)據(jù)點(diǎn)。借助轉(zhuǎn)折點(diǎn)，采用2分折線來(lái)近似充電期間的ACR曲線，如圖2所示。轉(zhuǎn)折點(diǎn)由用戶(hù)選擇，應(yīng)保證由轉(zhuǎn)折點(diǎn)所確定的2分折線與實(shí)際的ACR曲線之間具有的誤差最小。

圖2. 20°C下充電時(shí)ACR曲線和2分折線近似的關(guān)系

確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是：繪出充電期間的ACR時(shí)間曲線，觀察曲線在何處發(fā)生轉(zhuǎn)折。建議選擇ACR曲線的中間溫度作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)所有溫度均選擇該點(diǎn)作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)以低于滿(mǎn)電量電多少mAhrs表示。圖2中，轉(zhuǎn)折點(diǎn)約比滿(mǎn)電量點(diǎn)低100mAhrs。

10. 確定各個(gè)點(diǎn)的充電估計(jì)剩余時(shí)間
FuelPack算法要求提供轉(zhuǎn)折點(diǎn)、所有溫度下從空電量點(diǎn)到滿(mǎn)電量點(diǎn)的時(shí)間以及所有溫度下從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到滿(mǎn)電量點(diǎn)的時(shí)間這一系列數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)剩余充電時(shí)間的精確估算。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并篩選出所有轉(zhuǎn)折點(diǎn)。可以找出所有滿(mǎn)電量點(diǎn)，減去步驟9中所選的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的mAhrs值，即可以很簡(jiǎn)單的找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

從表1中的數(shù)據(jù)中，取前一個(gè)溫度點(diǎn)的待機(jī)空電量點(diǎn)的時(shí)間(開(kāi)始充電的時(shí)間)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間以及滿(mǎn)電量點(diǎn)的時(shí)間，制成表格如表4所示。表4也給出了每個(gè)點(diǎn)的ACR值。 然后，根據(jù)記錄的時(shí)間可計(jì)算每一溫度下從空電量點(diǎn)到滿(mǎn)電量點(diǎn)的時(shí)間，以及從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到滿(mǎn)電量點(diǎn)的時(shí)間，如表5所示。評(píng)估軟件的電量計(jì)算法只為3個(gè)溫度點(diǎn)的充電數(shù)據(jù)分配了足夠的EEPROM，因此選擇將0°C、20°C及40°C的數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件。

表4. 各個(gè)溫度下待機(jī)空電量點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)及滿(mǎn)電量點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間

Temperature

0

20

40

Time Stamp

ACR

Time Stamp

ACR

Time Stamp

ACR

Standby Empty

2:01:00 AM

100.5

1:44:11 PM

80.69

1:13:26 AM

62.38

Break

3:16:05 AM

919.06

2:45:07 PM

929.95

2:12:41 AM

927.97

Full

4:00:59 AM

1019.06

3:18:54 PM

1031

2:41:34 AM

1032.7

表5. 估算各個(gè)點(diǎn)的充電剩余時(shí)間

Temperature

0

20

40

Empty to Full (minutes)

120

95

88

Break to Full (minutes)

45

34

29

Break Point (mAhrs)

100

將數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件并啟動(dòng)電量計(jì)量

11. 將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件
將表3和表5中的數(shù)據(jù)通過(guò)評(píng)估板寫(xiě)入器件。將數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入到Pack Info標(biāo)簽中Fuel Gauging Data子標(biāo)簽的文本框，如圖3所示， 并點(diǎn)擊Write按鈕(圖中未顯示)。 數(shù)據(jù)將被寫(xiě)入器件的暫存器，并隨后被復(fù)制到EEPROM。

圖3. 把電量計(jì)所需的數(shù)據(jù)導(dǎo)入評(píng)估軟件

12. 同步ACR
準(zhǔn)確測(cè)量Li+電池電量的最后一步是實(shí)現(xiàn)器件的ACR值與電池電量的同步。完成該程的簡(jiǎn)單方法是，根據(jù)實(shí)際的充電特性曲線對(duì)Li+電池充分充電，然后將該溫度的ACR設(shè)置為滿(mǎn)電量點(diǎn)。用評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，先點(diǎn)擊Fuel Gauging標(biāo)簽上的Start Fuel Gauging按鈕啟動(dòng)電量計(jì)量，如圖4所示。充電完成后，點(diǎn)擊Fuel Gauging標(biāo)簽中的Full按鈕，即實(shí)現(xiàn)ACR與電池電量的同步。

圖4. 評(píng)估軟件的Fuel guging標(biāo)簽

有關(guān)電量計(jì)數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor

總結(jié)

當(dāng)對(duì)Li+進(jìn)行電池充放電時(shí)，Dallas Semiconductor電量計(jì)算法可以準(zhǔn)確跟蹤電池電量。這需要了解電池電量特性的相關(guān)信息，以及實(shí)際應(yīng)用中電池在各種負(fù)載和溫度條件之下所表現(xiàn)的特性。只要使用Dallas Semiconductor所提供的評(píng)估軟件測(cè)量并記錄電池的特性數(shù)據(jù)，就可用電量計(jì)準(zhǔn)確地估算電池的剩余電量。