電池電量計 IC的電池管理設(shè)計方案

電池電量計 IC（即電量計）是現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)的核心。它們不僅可以準(zhǔn)確估計電池剩余容量，還可以作為主機的電池數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)、一次電池保護裝置和電池平衡系統(tǒng)，以及維護電池使用歷史記錄。

一些電量監(jiān)測計系統(tǒng)包括一個模擬前端 IC，它提供高速保護和電壓測量功能，以及一個電量監(jiān)測計 IC，用于維持容量估計和其他更復(fù)雜的功能。越來越多的 IC 結(jié)合了模擬前端和電量監(jiān)測計功能。

一系列電量計 IC 可供多種應(yīng)用使用。這些 IC 包括單節(jié)電池、多達 13 節(jié)串聯(lián)電池的多節(jié)電池、系統(tǒng)側(cè)電量計以及帶和不帶內(nèi)置初級保護的儀表。GaugeIC 可從許多大型半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得，包括 Atmel、Intersil、Maxim Integrated Products、O 2 Micro 和德州儀器[Ref. 1-5]。

單電池量規(guī)通常具有較小的 PCB（印刷電路板）占位面積，適用于緊湊的電路布局情況。這些微型電池計量器適用于只有一個電池串聯(lián)的電池，或電池術(shù)語中的 1S（單串）電池。電池可以根據(jù)需要具有盡可能多的并聯(lián)電池，例如 1S1P（單串/單串）、1S2P（單串） /兩個并行），1S3P（一個串行/三個并行），等等。

這些儀表的示例包括 TI bq275xx、O 2 Micro OZ8805 和 MaximDS278x 系列。雖然一些單節(jié)電量計具有內(nèi)置保護邏輯，但大多數(shù)都需要使用單獨的保護 IC（例如 SeikoInstruments S-8211 或 S-8241 [6]。超便攜式設(shè)備中的低核心電壓以及高電壓和能量密度鋰離子電池組合產(chǎn)生有效的便攜式電源系統(tǒng)。

凌力爾特公司的 LTC2941 和 LTC2942 單電池電量計實現(xiàn)了一個庫侖計數(shù)器，該計數(shù)器通過一個快速模擬積分器來集成流入和流出電池陣列的電流[7]。這種技術(shù)可以允許精確跟蹤脈沖負載電流，這對樣本數(shù)據(jù)系統(tǒng)庫侖計來說是一個挑戰(zhàn)。

對于 2 至 4S（2 至 4 節(jié)串聯(lián)）多節(jié)電池的儀表 IC，存在多種選擇。它們包括 TI 20zxx 系列和 O 2 Micro OZ9310。3 或 4S（三個或四個串行）電池配置在便攜式設(shè)備中很受歡迎，因為您可以使用簡單的負載點降壓線性穩(wěn)壓器從 3 或 4S 鋰離子電池提供的最低電壓中獲得大多數(shù)復(fù)雜便攜式電子設(shè)備的核心電壓——大約 9V 3S 電池，4S 電池約 12V。

一旦電池中的串聯(lián)電池配置超過 4S，電量計 IC 的選擇就會受到限制。相對較新的 TI bq78PL114 和幾個 O 2 Micro 產(chǎn)品可以處理高容量電池。

一些儀表支持使用外部擴展 IC 的高 S 數(shù)電池。高 S 數(shù)電池用于電動汽車和其他高能電機驅(qū)動應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，需要高電池電壓以避免電機控制電路中的電流過大，數(shù)百伏的電池很常見。其中許多應(yīng)用程序使用完全定制的基于微型計算機的電池管理系統(tǒng)電路來處理高度復(fù)雜的管理和保護任務(wù)。圖 1顯示了典型的 4S4P（四串/四并聯(lián)）電池。

安全第一

電池安全必須是設(shè)計的首要考慮因素。始終為所有鋰離子電池設(shè)計多層過壓、欠壓、過流和過溫保護，無論多小。這種保護應(yīng)包括與電池串聯(lián)的用于過流條件的 PTC（正溫度系數(shù)）裝置和用于過熱條件的 TCO（熱截止）裝置。您還應(yīng)該使用有源二級和初級保護電路。電量計 IC 可以提供初級保護，但僅提供保護是不夠的。通常需要打開電子控制保險絲的二級主動保護，例如索尼化學(xué)自控保護器[8]。

仔細分析保護電路單元陣列側(cè)的所有電路元件。至關(guān)重要的是，沒有單個組件故障會導(dǎo)致一個或多個電池發(fā)生短路。例如，如果需要一個電容器來繞過 EM（電磁）噪聲，則應(yīng)使用兩個串聯(lián)電容器，以盡量減少組件故障導(dǎo)致電池短路的可能性。

現(xiàn)代鋰離子電池可以長時間提供大電流，如果組件故障使電池短路，則會在 PCB 上引起“高能事件”。不要依賴電池的嵌入式過流保護來提供這種保護。有些電池缺少這樣的元件；在其他情況下，電流跳變點非常高，可能會在電池打開之前損壞 PCB。這種考慮對于高并聯(lián)電池數(shù)的電池尤其重要，其中每個電池的最大電流可以增加一個較大的最大電池電流。

將電池陣列組裝到電池保護電子設(shè)備時，請勿產(chǎn)生電弧。這種電弧會產(chǎn)生高壓瞬變，從而損壞電量計和保護電路元件。這種損壞可能使設(shè)備在工廠測試期間正常工作，然后在現(xiàn)場使用中失敗。保護電路可能并不總是失效保護的，因此當(dāng)實際故障發(fā)生時可能導(dǎo)致保護電路失效。出于這個原因，您應(yīng)該在電池中設(shè)計多層保護。

主機和電池

大多數(shù)電量計支持雙線 SMbus（系統(tǒng)管理總線），例如 I 2 C（內(nèi)部集成電路），或用于與主機設(shè)備通信的單線 HDQ（高速 DQ）接口，可以是便攜式設(shè)備或充電器。幾個Maxim 儀表IC 支持專有的Maxim 1-Wire 接口。您可以在制造過程中使用此接口對 GaugeIC 進行編程，并與便攜式主機設(shè)備和充電器通信許多參數(shù)。

大多數(shù)支持 SMbus 通信的儀表也支持 SBS（智能電池系統(tǒng)）[9] 。這些數(shù)字通信接口的低信號基準(zhǔn)承載電池的返回電流。注意電量計基準(zhǔn)到信號地和主機之間的電壓降在高電池電流時系統(tǒng)接地不會過大。

在高電池電流情況下，數(shù)字信號可能無法在電量計或主機系統(tǒng)上達到有效低電平。這種無法實現(xiàn)的原因可能是電池到主機系統(tǒng)的接觸電阻、導(dǎo)線電阻、分流電阻，甚至是 PCB 走線電阻。注意脈沖電流情況，例如電池連接期間的浪涌電流、主機設(shè)備的啟動電流或高充電器電流。這些情況可能會由于信號接地提升而導(dǎo)致通信中斷。

電池平衡

制造商建議在電量計或保護 IC 中對 3 和 4S 鋰離子電池進行電池平衡，并要求對 5S 和更大的電池進行電池平衡，并且許多電量計 IC 都內(nèi)置了此功能。電池平衡是必要的，因為單個電池的容量可能會有所不同當(dāng)電池通過充電和放電循環(huán)時。如果電池經(jīng)常深度放電，這種情況尤其如此。

最簡單的電池平衡方法，即被動平衡，將電流分流到串聯(lián)電池組中每個完全充電的電池周圍，直到電池組中的所有電池具有相同的容量。跟蹤電池組中每個電池的相對容量的電量計在每個充電周期執(zhí)行此任務(wù)。凌力爾特 LTC6802-1 是一款實現(xiàn)該技術(shù)的電池監(jiān)測 IC。

TI 的 bq78PL114 和一些 O 2 Microproducts 實現(xiàn)了一種更復(fù)雜的電池平衡技術(shù)，即主動平衡。這種方法控制每個電池的小型開關(guān)電源。這些電路將電流泵入電池以使其與電池組中的其他電池保持平衡。這種方法的控制和電路設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，但它優(yōu)化了充電器能量并最大限度地縮短了充電時間。

連接儀表

高 S 和 P 數(shù)電池的電池陣列或核心組可能很復(fù)雜。為確保電量計保持準(zhǔn)確的可用容量測量，您必須小心地將儀表電壓和電流感應(yīng)連接到核心包。此外，許多電量計在制造過程中需要先連接順序——通常是從最低電壓到最高電壓——以防止損壞 IC。

設(shè)計電池時，請確保在儀表 IC 和核心組之間的電壓檢測連接中流動的電流很小。此要求通常要求在電池的正極連接和儀表 IC 之間使用單獨的感應(yīng)線或開爾文連接。此外，請務(wù)必遵循您使用的儀表 IC 的布局指南，尤其是在電流分流器和儀表 IC 之間。

容量估計

為了保持準(zhǔn)確，庫侖計數(shù)需要已知容量起點和精確的電流測量值。當(dāng)電池充滿電時，大多數(shù)電量計會將其容量估計重置為電池陣列的實際容量或化學(xué)容量。

但是，化學(xué)容量會隨著電池老化而變化，因此電池必須支持某種容量更新方法。您可以通過將電池從完全充電持續(xù)放電到低“訓(xùn)練”電壓來更新電池的化學(xué)容量。這種稱為調(diào)節(jié)電池的方法不方便大多數(shù)電池用戶，因為它可能需要幾個小時并且通常是手動過程。您可以使用調(diào)節(jié)充電器，但控制和放電電路會增加充電器的成本。

幾年前，TI 開發(fā)了阻抗跟蹤算法，該算法使用電池阻抗變化模型來更新電池正常使用期間的化學(xué)容量。該公司已對該算法進行了多次改進，適用于許多電池使用模型。

ImpedanceTrack 算法的正確操作要求在電池充電或放電期間，出現(xiàn)兩個“松弛”點，即電池電流較低且電池電壓處于放電曲線的平坦部分——即既不在完全充電時也不接近完全放電時。您必須將這兩個松弛點間隔超過大約 40% 的電池容量。

例如，如果您為筆記本電腦的電池充滿電，請在電池上使用計算機一段時間，合上蓋子一段時間，再使用一段時間，然后再次合上蓋子。阻抗跟蹤算法將可能擁有更新化學(xué)容量所需的信息。

某些電池使用模式不允許阻抗跟蹤算法正常運行。其中一種模式是備用電池使用模式，其中電池幾乎總是保持 100% 充電，很少進行淺放電，并在放電后立即充電。TI 在其網(wǎng)站上提供了一些關(guān)于如何使算法適應(yīng)這種使用模型的白皮書，但這是一個復(fù)雜的過程。

Maxim 開發(fā)了 ModelGauge 算法，該算法使用精心設(shè)計的電池類型電壓-溫度-容量特性模型，在正常電池使用期間更新電池的化學(xué)容量。Maxim 正在與一小組電池集成商合作開發(fā)這項技術(shù)的首次應(yīng)用。

O 2 Micro 使用高分辨率電池電壓測量和電壓與容量的模型來估計電池容量。高容量鋰離子電池的平坦電壓-容量特性限制了這種技術(shù)，特別是在極其平坦的 LiFe（鋰鐵）PO4 電池中，其中 1 mV 的電壓變化可能等于 1% 的充電狀態(tài)變化。由于這個限制，電量計 IC 公司正在努力改進電壓測量能力。

運行時間估計

估計剩余的便攜式設(shè)備運行時間是電池使用中最復(fù)雜和最容易出錯的方面之一。儀表必須知道從電池中獲取多少電量以及電池陣列的真實化學(xué)容量才能報告剩余運行時間。

便攜式設(shè)備從電池中獲取的電量可能不一致或無法預(yù)測。對于需要維護準(zhǔn)確估計剩余容量的便攜式設(shè)備，您應(yīng)該設(shè)置備用容量。當(dāng)您將服務(wù)容量值編程到電量計中時，它會將報告的容量抵消該數(shù)量。

因此，電量計報告的剩余電量總是低于電池陣列的實際可用電量。由于電量計的電量不足指示，該技術(shù)允許便攜式設(shè)備在斷電前安全地完成它們正在執(zhí)行的任何事務(wù)。這種方法類似于在飛機上有一個備用油箱，在主油箱空時提供足夠的容量著陸。

系統(tǒng)、電池儀表

系統(tǒng)端儀表位于便攜式主機中，并且必須在連接時適應(yīng)每個電池。電池側(cè)量規(guī)駐留在電池中，并在電池移動時攜帶電池特性。系統(tǒng)端儀表在電池通常留在主機上的應(yīng)用中更有用，例如筆記本電腦、PDA（個人數(shù)字助理）和手機。

如果您更換帶有系統(tǒng)端電量計的設(shè)備中的電池，該電量計將報告錯誤信息，直到您重新校準(zhǔn)為止。電池側(cè)儀表在將電池從便攜式設(shè)備中取出以進行充電或在便攜式主機設(shè)備之間移動的應(yīng)用中工作得更好。

系統(tǒng)端儀表必須支持在正常電池使用期間運行的容量估計更新算法。否則，除非您運行調(diào)節(jié)循環(huán)，否則儀表不會知道電池的化學(xué)容量。便攜式主機集成了系統(tǒng)側(cè)儀表，最大限度地降低了電池電子成本，并消除了通信接口對電池觸點的需求。

電池側(cè)電量計集成了模擬熱敏電阻輸入，以便從電池附近獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。系統(tǒng)側(cè)電量計的另一個問題是熱敏電阻和熱敏電阻輸入之間的距離更大。因此，熱敏電阻在系統(tǒng)側(cè)氣表上的讀數(shù)可能不準(zhǔn)確。

由于電池側(cè)儀表隨電池陣列一起移動，因此它們可以隨著時間的推移改進其化學(xué)容量估計值。它們還可以保存在調(diào)節(jié)循環(huán)期間完成的容量測量。然而，電池必須有一個或兩個額外的觸點來支持電池到主機的通信接口。

充電器和電量計

電池充電器可以是簡單的交流供電設(shè)備，例如手機充電器，也可以是復(fù)雜的帶有顯示器和與電池通信的多槽設(shè)備，例如用戶可能用來為一組便攜式軍用收音機充電的設(shè)備。充電器通常有兩種形式：智能充電器在充電期間與電池中的電量計交互，而啞充電器僅使用電池端電壓和內(nèi)部測量的電流來控制充電周期。

隨著充電的進行，鋰離子電池充電器會在電池上保持特定的電流和電壓曲線。在充電周期的初始部分，當(dāng)電池電壓低于浮動電壓（即低于電池類型和串聯(lián)排列的最大值）時，充電器提供 CCM（恒流模式）并允許電池電壓逐漸增加。

一旦充電器達到浮動電壓，充電器將保持 CVM（恒壓模式）并允許電流逐漸減小，直到達到預(yù)設(shè)的最小值，此時充電終止。與鉛或鎳鎘電池不同，您不能對鋰離子電池進行涓流充電——也就是說，一旦電池達到完全充電，您必須關(guān)閉充電電流。涓流充電會損壞鋰離子電池。

與電池電量計交互的充電器具有一些優(yōu)勢。電量計測量電池陣列上的真實電壓，并將該電壓報告給充電器。充電器只能在電池連接器處測量電壓，由于接觸電阻、導(dǎo)線電阻和分流電阻，該電壓通常高于電池陣列的電壓。如果充電器可以控制電量計測量的電池陣列電壓，則可以更長時間地保持 CCM，減少充電時間。此外，與電量計通信的充電器可以使用電量計的精確電流測量能力，從而允許在充電器中使用成本較低的電路。

圖 2 顯示了為單節(jié)鋰離子電池充電的典型電壓和電流曲線。在這種情況下，電池電壓是在充電器內(nèi)部測量的，電池電壓值來自電量計。注意保持 CCM 直到電池電壓達到 4.2V 浮動電壓的優(yōu)點。

電磁噪聲

由于電池管理系統(tǒng)包含高阻抗測量電路，因此它們?nèi)菀资艿?EM 噪聲拾取的影響。電池供電的便攜式系統(tǒng)，例如電動汽車中的無線電發(fā)射器和電機，它們自身會產(chǎn)生電磁噪聲，或者它們可以在電磁噪聲源附近運行。電池周圍的金屬罐和電池的互連帶構(gòu)成了用于高頻噪聲的高效天線。

單元陣列中的噪聲拾取可能會在包含 ADC 和信號調(diào)理組件的電量計電壓和電流測量系統(tǒng)中引起讀取噪聲。Gas-gaugeIC 使用模擬和數(shù)字噪聲濾波器來減少這種 EM 噪聲引起的問題，但在嘈雜的環(huán)境中它仍然可能是一個問題。EM 噪聲尖峰可能導(dǎo)致初級和次級電池保護電路中的雜散保護跳閘。這些脫扣可能會造成麻煩，或者在二級保護脫扣的情況下，可能會禁用電池。

電池設(shè)計人員在設(shè)計電池管理系統(tǒng)電子產(chǎn)品時應(yīng)遵循良好的 EM 降噪技術(shù)。仔細的 PCB 走線和 PCB 中接地平面區(qū)域的廣泛使用是必不可少的。小心地繞過電量計和相關(guān) IC 的配電，因為它們直接從電池接收電力。電量計 IC 和電流測量分流器之間的正確連接至關(guān)重要；查閱供應(yīng)商文獻以獲得建議。

參考：

“ 8 位和 32 位、低功耗高性能MCU，”Atmel。

“電池管理：電池平衡和安全”，Intersil。

“參數(shù)搜索：電池保護器、選擇器和監(jiān)視器”，MaximIntegrated Products。

“智能電池”，O 2 Micro。

“電池電量計”，德州儀器。

“參數(shù)搜索：鋰離子電池保護 IC，”Seiko Instruments Inc.

“電池管理”，凌力爾特。

“自我控制保護器”，索尼化學(xué)和信息設(shè)備公司。

“ SBS 1.1 規(guī)范：當(dāng)前”，智能電池系統(tǒng)實施者論壇。