基于鋰離子電池的 MP3代替 A/D 轉(zhuǎn)換器的低成本方案

最初面世的電池電量計是以庫侖計量法為基礎(chǔ)的，采用這樣的計量方法有著很堅實的理論依據(jù)，因為對電流積分便可得到電量是個很基礎(chǔ)的物理常識，順著這個思路得到產(chǎn)品也就很正常了，只是這樣的操作存在一個問題，你得知道積分的零點在哪里，也需要知道積分的滿點在哪里，這樣才能得到準(zhǔn)確的計量，知道每個時刻點的電池儲能狀態(tài)在其整個容量當(dāng)中所占的比例即荷電狀態(tài)（SoC，State ofCharge）。由于知道庫侖計量法的原理，我在很多年前開始使用第一臺智能手機(jī)的時候就會經(jīng)常去做一個動作，把電池電量用盡關(guān)機(jī)以后再給它充電到滿電，目的就是告訴它零點是什么，滿點又是什么，否則就會常常出現(xiàn)可能顯示還有 10% 電量時就突然關(guān)機(jī)了的問題。

顯示電量還有 10% 就突然關(guān)機(jī)，其中涉及的實際情況是電池實際電量已經(jīng)支撐不住它的外顯電壓了，系統(tǒng)因為電池電壓太低而主動關(guān)機(jī)，而這時候它所使用的電量計所報告的電量還能支撐它工作很久，于是兩者之間就發(fā)生了矛盾，最終取勝的當(dāng)然是物理限制本身，可以任意被人支配的數(shù)據(jù)在這時候是一點也沒有意義的。這樣的狀況如果是發(fā)生在一臺設(shè)計良好的系統(tǒng)里，它便能從斷電關(guān)機(jī)這一事實得到電池電量實際零點的位置，為它的下一個計量周期做好最充分的準(zhǔn)備，使下一次的計量更準(zhǔn)確一點，而這也就是我主動讓手機(jī)工作到主動關(guān)機(jī)為止的理論依據(jù)。

庫侖計量法導(dǎo)致電量計算誤差是有原因的，一是電池本身的特性在隨著環(huán)境、時間的影響而發(fā)生變化，這些變化都可以從其內(nèi)阻的變化上反映出來；二是電池本身存在自放電，在電池外接電路上進(jìn)行電流測量根本就不能反映這個部分的影響；三是信號采樣的誤差，因為沒有任何數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實世界的模擬信號本身，就像國家統(tǒng)計局發(fā)布的 GDP 數(shù)據(jù)沒有辦法將我家請一個鐘點工的勞動報酬反映出來一樣，而同樣的問題在所有的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)中都是存在的，所以我們能得到的數(shù)據(jù)都只能作為參考，不能當(dāng)作是真的；四是任何數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都不能以連續(xù)的方式收集到每時每刻的電流信息，采樣只是在某些時間點上進(jìn)行的，這樣便不能反映實際電流的全部信息。這些問題不僅會導(dǎo)致庫侖計量法在每一個當(dāng)下的計量誤差，由于采用積分運(yùn)算的緣故，它們還會被累積起來，時間越長便會發(fā)生越大的影響，而像我那樣時不時地來一次清零的動作就是在幫它做出重新的標(biāo)定，盡可能使它回到離原點最近的地方。

我在工作中最初與電量結(jié)緣是因為要為使用鋰離子電池的 MP3 等設(shè)備提供一個可以代替 A/D 轉(zhuǎn)換器的低成本方案，那時利用的是可以由用戶自行設(shè)定檢測閾值的電壓檢測器 RT9801B，你只需要改變它幾個輸入端的狀態(tài)就可以達(dá)到目的，非常方便與 GPIO 端子有很多富余的數(shù)字系統(tǒng)連接，最終帶來降低系統(tǒng)成本的效果。這種方法能夠?qū)嵤┑脑驈膬蓚€數(shù)據(jù)可以看出來，其一是電池的放電曲線：

其二是 RT9801B 的電壓檢測閾值與其閾值設(shè)定端之間的關(guān)系：

系統(tǒng)設(shè)計者只需要根據(jù)已經(jīng)知道的當(dāng)前電池電壓區(qū)間設(shè)定好新的電壓檢測閾值，當(dāng)電池電壓變化到這個閾值的時候，RT9801B 輸出端的狀態(tài)就會發(fā)生變化，這樣便知道電池電量已經(jīng)到了新的水平了，隨即改變顯示在屏幕上的圖標(biāo)狀態(tài)即可讓用戶知道當(dāng)前的電池荷電情況。這種做法對電量的測量很不精確，但是已經(jīng)可以滿足當(dāng)時的需要了，所以是可以被接受的，實際上就是到了今天也還有很多設(shè)備是這么做的，我最近購買的一臺洗車機(jī)就是這樣的電量顯示方式，對我來說覺得已經(jīng)夠用了。

鋰離子電池的外顯電壓與其實際電量之間的關(guān)系并不是完全一一對應(yīng)的，這與實際的負(fù)載情況有很大的關(guān)系，但是如果將電池開路電壓、實際電壓與其儲能之間的關(guān)系聯(lián)系起來做成算法，還是可以比較準(zhǔn)確地計算出電池的荷電狀態(tài)，只不過由于缺少電流信息，實際的電池電量不能得出，能給出的是電池儲能的相對狀態(tài)，而且精度還很高，立锜的第一代電量計產(chǎn)品便是這樣做的，下面的數(shù)據(jù)可以告訴你它的精度水平：最大誤差可以做到 ±3% 以下。

由于只需測量電壓便可以獲得電池荷電狀態(tài)信息，這種電量計的應(yīng)用電路便非常簡單：

這給它帶來一個好處：只要將電量計和電池連接在一起，電量計很快就可以得出電池的荷電狀態(tài)信息，無需經(jīng)歷電池完全放電和充滿電的過程，因此在使用上就可以和電池分離，使電池成為可以隨時取出、隨時接入的部件，所以就可以被安裝在系統(tǒng)板上而不用像庫侖電量計那樣必須裝在電池包里。

僅僅利用電壓信息計算電池荷電狀態(tài)，最大的缺點是不能獲得具體的電池電量信息。假如在此基礎(chǔ)上再加入電流信息和電池的容量信息，此兩者便成為以電壓為基礎(chǔ)的電量計的補(bǔ)充資料，既能獲得電池的實際電量，又能對荷電狀態(tài)的計算誤差進(jìn)行修正，將計量準(zhǔn)確性提高到一個全新的水平：《±1%，具體數(shù)據(jù)可參看下圖：

因為要測量電流，加入電流檢測電阻就是必要的了，于是形成了全新的應(yīng)用電路圖：

在上圖中，電流檢測電阻連接在 RT9426 的 CSP 和 CSN 之間。為了提高安全性，RT9426 還加入了溫度檢測電路，可在溫度超過容許范圍時及時通知系統(tǒng)停止充電、放電等操作。

新功能的加入會讓電路變得復(fù)雜，但是這種付出是有價值的。如果你對型號為 RT9422A 的全新電量計產(chǎn)品進(jìn)行探索，會發(fā)現(xiàn)它有更顯復(fù)雜的應(yīng)用電路：

因為它又加入了第二級安全控制電路，可在緊急狀況下切斷外接熔絲，使電池和外接電路的連接徹底斷開以確保安全，此功能是獨立于鋰離子電池的保護(hù)電路而存在的。它還另外加入了使用 SHA-1/HMAC 算法的密鑰驗證機(jī)制，可對接入系統(tǒng)的電池進(jìn)行身份認(rèn)證，而這在電路圖上是看不出來的，因為密鑰和計算結(jié)果的傳遞通過 SDA/SCL 所代表的數(shù)據(jù)接口就可以傳輸了，不需要其他的電路進(jìn)行配合。

應(yīng)用系統(tǒng)的需求不同，對所用電量計的選擇也不同，重點在于知道自己需要什么，同時也了解不同電量計的特性，這樣便可將兩者聯(lián)系起來進(jìn)行選擇。無論你最后的選擇是什么，都需要知道準(zhǔn)確計量的前提是要對電池特性有一個準(zhǔn)確的了解，這需要通過測量電池特性并從所得數(shù)據(jù)中推算出電池的模型參數(shù)才能獲得，這就需要你和立锜技術(shù)支持團(tuán)隊配合工作來進(jìn)行了，如果不進(jìn)行這步工作而直接使用，所得結(jié)果也可以使用并具有一定的參考價值，但其精度總是有限的。
責(zé)任編輯:pj