| 摘要
本文簡(jiǎn)單介紹庫(kù)侖計(jì)的工作原理，并對(duì)Li電池的特性作了分析，并且分析了電量計(jì)如何針對(duì)Li電池的特性準(zhǔn)確報(bào)告電量數(shù)據(jù)，文章詳述了電量計(jì)內(nèi)部參數(shù)寄存器。
關(guān)鍵詞
庫(kù)侖計(jì) 電量計(jì) 學(xué)習(xí)模式
引言
電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展使得半導(dǎo)體集成電路的集成度越來(lái)越高、工作電壓越來(lái)越低、器件功耗也越來(lái)越低。與之相對(duì)應(yīng)的是，鋰電池產(chǎn)品具有很高的能量密度，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，能量密度會(huì)進(jìn)一步提升，應(yīng)用前景將更加廣闊，就目前狀況而言，鋰電池產(chǎn)品已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的一部分，從日常生活用的手機(jī)、平板電腦到工業(yè)應(yīng)用的各種手持式便攜儀表均采用鋰電池作為電源。
鋰電池儲(chǔ)能隨著設(shè)備的使用逐漸釋放，需要監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，以便及時(shí)了解電池的剩余電量，在電池耗盡之前及時(shí)為電池充電，估算當(dāng)前工作狀態(tài)下電池還可以維持工作的時(shí)長(zhǎng)(鋰電池過(guò)充和過(guò)放會(huì)影響電池的壽命，嚴(yán)重情況下還可能導(dǎo)致電池爆炸，因此，通常會(huì)采用電池保護(hù)板，本文不討論該部分)。電量計(jì)就是專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)視鋰電池狀態(tài)的器件。在討論電量計(jì)之前，先要了解一下鋰電池的特性。
鋰電池的特性
鋰電池存儲(chǔ)的能量和能夠釋放出的能量與溫度有關(guān)，下圖為不同溫度下鋰電池的狀態(tài)圖：
圖1. 電池存儲(chǔ)/釋放能量和溫度關(guān)系
從圖1中可以看出，在-20℃時(shí)，電池充滿電的電量為大約1150mAh，大電流放電至電池電壓為2.5V時(shí)，電池電量為大約1130mAh，釋放出的電量為1150-1130=20mAh，由此可見(jiàn)，電池在-20℃時(shí)幾乎無(wú)法釋放電。隨著溫度升高，電池能夠釋放出的能量越多，并且電池能夠存儲(chǔ)的能量也隨著溫度升高有所增加。
隨著充放電周期的不斷增加，鋰電池能夠存儲(chǔ)的能量會(huì)逐漸減少，稱(chēng)之為電池老化。
下圖為電池容量與充放電周期的關(guān)系圖：
圖2. 電池充放電周期與容量關(guān)系圖
從圖2中可以看出，隨著充放電周期的增加，電池的容量逐漸減小，但是，在放電至規(guī)定電壓時(shí)的剩余電量保持不變。
由于鋰電池的這種非線性特性以及與溫度、充放電次數(shù)的相關(guān)性，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)電池電壓來(lái)預(yù)報(bào)電池的電量，利用電量計(jì)器件可應(yīng)對(duì)電池的非線性，對(duì)不同溫度下以及老化程度不同的電池都能正確預(yù)報(bào)剩余電量。
電量計(jì)工作原理
目前電量計(jì)主要包括：基于庫(kù)侖計(jì)計(jì)量的電量計(jì)和基于開(kāi)路電壓檢測(cè)(OCV)的電量計(jì)。
庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)是按照電池電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算電量，電量計(jì)類(lèi)似與一個(gè)蓄水池，充電時(shí)，相當(dāng)于對(duì)蓄水池注水，放電時(shí)相當(dāng)于對(duì)蓄水池放水，蓄水池中剩余的水量就相當(dāng)于電池中剩余的電量，因此，庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)和電池密切相關(guān)，通常，庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)放置在電池包內(nèi)，和電池綁定在一起。
1. 庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)工作原理
電量計(jì)利用外部檢流電阻檢測(cè)電池電流，通過(guò)內(nèi)部ADC將測(cè)量結(jié)果以電壓形式保存在電流寄存器中，然后累計(jì)到電流累計(jì)寄存器(ACR)中，ACR中保存的結(jié)果是以mVh為單位，因此除以檢流電阻，就可以計(jì)算出電池的絕對(duì)剩余電量，真的這么簡(jiǎn)單�。�！其實(shí)不然，還有很多問(wèn)題需要解決。
如何確保準(zhǔn)確計(jì)量？
電量累計(jì)是電流對(duì)時(shí)間的積分，那么時(shí)間的精度和測(cè)量電流的精度就決定了電量累計(jì)的誤差，時(shí)基誤差在常溫下小于1%，而且當(dāng)測(cè)量電流為0時(shí)，累積電量也為0，因此，必須調(diào)整測(cè)量電流的精度才能確保電量計(jì)量精確，有哪些因素會(huì)影響電流的測(cè)量精度？外部電阻的精度，測(cè)量電流ADC的增益誤差以及失調(diào)誤差。器件內(nèi)部用于調(diào)整這些參數(shù)的寄存器分別是：
RSNSP (電阻寄存器)：用于存放檢流電阻值。
RSTC (電阻溫度系數(shù)寄存器)：用于對(duì)溫漂較高的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。
COB (失調(diào)電流偏置寄存器)：用于存放ADC測(cè)量電流的失調(diào)值。當(dāng)失調(diào)電流為正時(shí)，該寄存器設(shè)置為負(fù)值。在電流累積時(shí)會(huì)將失調(diào)電流減去。
RSGAIN (電阻增益寄存器)：用于設(shè)置電阻的增益。允許使用低成本電阻，然后通過(guò)該寄存器調(diào)整電阻值，另外，也可以通過(guò)調(diào)整該寄存器間接相當(dāng)于調(diào)整了測(cè)量電流的增益誤差。
另外，還有一些其它的電流，例如器件本身消耗的電流、電池自放電的電流以及一些其它的漏電流，這些電流都不會(huì)流經(jīng)檢流電阻，因此無(wú)法通過(guò)測(cè)量進(jìn)行累積。電流累積偏移(AB)寄存器則用于補(bǔ)償這些電流損耗。
Maxim網(wǎng)站提供了電量計(jì)校準(zhǔn)的相關(guān)信息，見(jiàn)參考文獻(xiàn)。
如何應(yīng)對(duì)電量隨溫度的變化？
電量計(jì)內(nèi)部帶有溫度傳感器,可測(cè)量電池的溫度,如果將電池滿電量與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系寫(xiě)入器件,根據(jù)測(cè)量的電池溫度,就能計(jì)算出當(dāng)前的溫度下電池的滿電量,電池在不同溫度、不同的放電電流情況下所能釋放出的電能總量也是不同的，因此，也要將不同電流、不同溫度下電池放空后的剩余電量(該部分電量無(wú)法釋放出來(lái))寫(xiě)入內(nèi)部寄存器。電池可以以最大允許放電電流范圍內(nèi)的任意值進(jìn)行放電，如何存儲(chǔ)這么多的放電曲線？幸運(yùn)的是，采用電池供電的系統(tǒng)通常有兩種工作模式：正常工作模式和待機(jī)模式。因此，只需要將這兩種狀態(tài)下的放電曲線(分別稱(chēng)為有效空電量和待機(jī)空電量)保存在內(nèi)部寄存器中就可以了，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為電池建模。
圖3. 不同溫度下電池的滿電量和空電量曲線
將圖3中各溫度點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的空/滿電量值寫(xiě)入寄存器即可，對(duì)于相鄰溫度點(diǎn)之間的溫度，按照線性化進(jìn)行處理。
根據(jù)測(cè)量得到的電池溫度以及內(nèi)部的電池模型，器件可計(jì)算出當(dāng)前溫度下的滿電量和空電量(待機(jī)空電量和有效空電量)，ACR寄存器內(nèi)部存儲(chǔ)的是目前電池計(jì)量電量，從ACR中減去該溫度下的空電量，就可以得到剩余的絕對(duì)電量，用絕對(duì)剩余電量與該溫度下的滿電量相比，得到的百分比值稱(chēng)為相對(duì)剩余電量。
該溫度下的滿電量對(duì)于未經(jīng)老化的新電池可以通過(guò)模型獲得，對(duì)于老化的電池，由于電池容量下降，如何確定滿電量？
如何確定老化電池的滿電量？
器件內(nèi)部有兩個(gè)寄存器：老化容量寄存器(AC)和老化系數(shù)寄存器(AS)，AC寄存器存儲(chǔ)電池的標(biāo)稱(chēng)容量，器件內(nèi)部的計(jì)數(shù)器在電池放電時(shí)進(jìn)行加計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到32倍的AC寄存器值后會(huì)將AS寄存器中的值減1，這相當(dāng)于將電池的容量減少了0.78%，通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)電池老化，在設(shè)計(jì)時(shí)，如果增大AC寄存器的值會(huì)降低電池的老化速度，減小AC寄存器的值會(huì)加速電池老化。
電量計(jì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)累積誤差，為消除累積誤差，電量計(jì)還提供了“學(xué)習(xí)”的功能，觸發(fā)“學(xué)習(xí)”功能和完成一個(gè)完整的“學(xué)習(xí)”周期是需要一定條件的：必須檢測(cè)到有效空電量點(diǎn)才能觸發(fā)“學(xué)習(xí)”功能，此時(shí)，開(kāi)始充電，必須不間斷充電直到檢測(cè)到滿電量點(diǎn)才能完成“學(xué)習(xí)”過(guò)程，當(dāng)完成一個(gè)完整的“學(xué)習(xí)”周期后，電量計(jì)會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前溫度下的滿電量值以及老化系數(shù)進(jìn)行更新ACR，消除了ACR累積的誤差。
1. OCV電量計(jì)工作原理
開(kāi)路電壓檢測(cè)電量計(jì)利用電量計(jì)上電時(shí)測(cè)量電池的電壓(通常情況下，電池應(yīng)該靜止足夠長(zhǎng)時(shí)間使電池電壓恢復(fù))，通過(guò)存儲(chǔ)在電池內(nèi)部的電壓和電量對(duì)應(yīng)關(guān)系查找表來(lái)估算電池的電量，該電量計(jì)和電池的相關(guān)性不大，因此可以用在主機(jī)側(cè)，使用該電量計(jì)的系統(tǒng)可任意更換電池(更換電池的型號(hào)必須一致)。
電量計(jì)設(shè)計(jì)
通過(guò)以上介紹了電量計(jì)的具體工作原理，以及電量計(jì)針對(duì)不同溫度、不同電流狀態(tài)作出的修正和老化處理措施，可以對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，使電量計(jì)精確預(yù)報(bào)剩余電量。
電池參數(shù)保存在器件內(nèi)部參數(shù)EEPROM寄存器，這些參數(shù)分別是：
RSNSP：保存外部檢流電阻阻值
RSGAIN：設(shè)置檢流電阻的增益
RSTC：設(shè)置電阻的溫度系數(shù)
該電阻阻值的精度直接決定了電量累計(jì)的精度。
VCHG：電池充滿時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值
IMIN：電池充滿電時(shí)對(duì)應(yīng)的充電電流值
VAE： 電池有效空電量時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓點(diǎn)
IAE： 電池有效空電量時(shí)對(duì)應(yīng)的電流值
這些參數(shù)和電池的“學(xué)習(xí)”過(guò)程相關(guān)，只有當(dāng)電池電壓從大于VAE的電壓降到低于VAE的電壓同時(shí)放電電流大于IAE中設(shè)定的電流時(shí)才能檢測(cè)到空電量點(diǎn)，否則就認(rèn)為沒(méi)有檢測(cè)到空電量點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到空電量點(diǎn)時(shí)，就會(huì)在狀態(tài)寄存器中置學(xué)習(xí)標(biāo)志位。此時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行不間斷充電直至充滿，電量計(jì)檢測(cè)充滿要根據(jù)VCHG和IMIN中設(shè)置的值進(jìn)行判斷，只有到電池電壓達(dá)到VCHG并且充電電流低于IMIN時(shí)，電量計(jì)才會(huì)認(rèn)為電池充滿，此時(shí)，內(nèi)部會(huì)將AS寄存器更新，完成學(xué)習(xí)過(guò)程。這些寄存器要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置，如果設(shè)置不正確可能無(wú)法完成學(xué)習(xí)過(guò)程。
其他的一些存儲(chǔ)器與電池模型相關(guān)，在存儲(chǔ)電池模型對(duì)應(yīng)的電量時(shí)采用斜率的方式進(jìn)行存放，這樣可以減少內(nèi)部存儲(chǔ)單元的數(shù)量。關(guān)于如何設(shè)置、計(jì)算這些存儲(chǔ)器的數(shù)值，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記：
http://www.maximintegrated.com/cn/app-notes/index.mvp/id/3584
當(dāng)這些寄存器正確設(shè)置后，經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的放電和充電周期后，電量計(jì)就能夠正確報(bào)告剩余電量以及百分比。
通常情況下，電池包內(nèi)部帶有電池保護(hù)板，如果電量計(jì)位于電池保護(hù)板的內(nèi)側(cè)，通常是沒(méi)有問(wèn)題，但是如果電量計(jì)位于電池保護(hù)板的外側(cè)，當(dāng)保護(hù)板啟動(dòng)保護(hù)時(shí)，電量計(jì)將會(huì)掉電，此時(shí)，電量計(jì)內(nèi)部的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)丟失(參數(shù)數(shù)據(jù)由于保存在EEPROM中，不會(huì)丟失)，此時(shí)，如果再次上電，ACR以及AS寄存器的值會(huì)從內(nèi)部的備份存儲(chǔ)器恢復(fù)，ACR的備份是RARC變化4%備份一次，因此，最大有可能造成電量4%的報(bào)告誤差，因此，建議在設(shè)計(jì)時(shí)將電量計(jì)放在保護(hù)板的內(nèi)側(cè)，這樣，即使保護(hù)板發(fā)生保護(hù)，電量計(jì)也不會(huì)掉電。
結(jié)束語(yǔ)
以上介紹了基于庫(kù)侖計(jì)的電量計(jì)工作原理以及電量計(jì)是如何在不同溫度、不同電流下能夠確保正確預(yù)報(bào)電量，并對(duì)內(nèi)部和計(jì)量相關(guān)寄存器作了說(shuō)明，通過(guò)控制器對(duì)電量計(jì)進(jìn)行控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)視電量的變化并可報(bào)告多種和電池相關(guān)參數(shù)。 |
