如何改善便攜式項目中的電池指示燈

作者： SAMANTHA MOREHEAD，圣克拉拉大學 和 MOHAMED ISMAIL，應用技術高級成員 Maxim Integrated

我們最初項目中的幾乎所有東西都運行良好——我們能夠獲取 GPS 坐標、閃爍 NeoPixels 的不同顏色，并使用我們的 ISM 發(fā)射器廣播坐標。我們項目中唯一沒有按預期工作的部分是我們監(jiān)控電池充電狀態(tài) （SOC） 的方法。為了估算 SOC，我們使用了基于項目運行時測得的電池電壓的直線近似值。我們發(fā)現 NeoPixels 在總運行時間的 25% 中不是紅色的，而是在總運行時間的 9% 中是紅色的。令人沮喪的是，我們沒有從當前系統(tǒng)中獲得準確的 SOC，因此我們決定對確定電池 SOC 的不同方法進行一些調查，以確定哪種方法最準確。

分壓器與電量計 IC確定電池電量的一種非常簡單的方法是測量電池兩端的電壓。在 Adafruit FLORA 平臺上，分壓器（圖 3）連接到板載微控制器的 ADC 輸入。這允許用戶獲取 ADC 讀數并計算其端子處的電池電壓。根據電池的特性和系統(tǒng)的關斷電壓，使用端電壓來估計電池的剩余電量。

圖 3：用于確定 Adafruit FLORA 電池電量的分壓器。

這種計算 SOC 的方法的一個主要缺點是它經常產生不一致的讀數。電池的端電壓取決于 SOC，但也取決于負載電流、溫度和使用年限。這三個參數的任何變化都可能導致結果不準確。如果負載電流發(fā)生變化或電池溫度發(fā)生偏差，則基于簡單的電阻分壓器估算電池 SOC 就會失去準確性。我們最初的設計有一個持續(xù)的脈沖負載，并且是為戶外設計的，這導致了一個非常誤導性的電池壽命指標。

分壓器方法的一種替代方法是使用電量計 IC。燃油計量方法非常復雜，因此更昂貴；然而，他們承諾的準確性使他們非常有吸引力。FLORA 上電阻分壓器的總電阻為 160 kΩ，這意味著它在連接到 Li+ 電池時消耗約 23 μA。我們猶豫要不要用消耗更多功率的東西來替換電阻分壓器，但 Maxim 提供了一款聲稱僅使用 7 μA 電流的電量計 IC！MAX17055使用Maxim的電量計算法ModelGauge m5，它結合了兩種最常用的電量計量方法——庫侖計數和開路電壓測量——以1%的誤差報告電池的SOC。ModelGauge m5 技術的另一個創(chuàng)新特性是它包含一個 EZ 配置功能，無需進行電池表征。這使您可以輕松地將芯片集成到您的設計中，而無需執(zhí)行大多數電量計 IC 所需的復雜電池表征任務。

圖 4：Maxim 的 MAX17055 電量計 IC 利用 ModelGauge m5 技術來確定電池電量。

比較測試為了將 FLORA 上的原始分壓器與 Maxim 的電量計 IC 進行比較，我們進行了一系列測試。在進行電阻分壓器測量后，我們用 MAX17055 替換了這些元件。我們在所有測試中都使用了一節(jié) 150 mAh 電池，以保持每次測試的結果一致。首先，我們通過以恒定負載對電池進行放電來進行基線測試，同時觀察分壓器和電量計的結果。接下來，我們使用更真實的脈沖負載對電池進行放電，并觀察分壓器和電量計的精度。

使用電阻分壓器進行基線測試FLORA 上的分壓器輸出只是幫助您確定電池的端電壓；因此，必須進行一些計算才能將電壓讀數轉換為易于理解的百分比電荷。首先，我們使用 125 mA 的恒定負載將電池完全放電。以恒定的時間間隔報告電池電壓。圖 5 顯示了電池完全放電時五個放電循環(huán)的平均電池電壓。然后使用兩種不同的方法來確定電池在從分壓器輸出放電期間的 SOC。

圖 5：電池在恒流負載下放電時隨時間變化的平均電池電壓。

第一種方法是將電池電壓與剩余電量的某個百分比相關聯(lián)。用于測試的 150 mAh 電池最多可充電至 4.2 V，因此該電壓與 100% 充電相關。電池的最小放電電壓為 3.0 V，因此該電壓與 0% 充電相關。從這兩個估計中，可以使用線性方程將 FLORA 上的分壓器報告的電池電壓轉換為剩余電量的近似百分比。我們稱其為“線性”近似方法。雖然很容易形成電池電壓和SOC之間的關系，但它不是很準確，因為如圖5所示，電池電壓在放電過程中并沒有線性下降。

下一種方法是基于通過測量電池放電時間消耗的電量。在負載電流恒定的情況下，經過的時間量與消耗的電荷量成正比（庫侖/秒 * 秒 = 庫侖）；因此，SOC（庫侖）。在這種情況下，100% 充電與測試的開始時間相關，即首次將負載放在電池上時。零電量與設備關閉的時間相關。為了使用這種方法形成一個準確的模型，我們發(fā)現了五次放電測試的平均值。從那里，我們?yōu)槠骄?SOC 創(chuàng)建了四階趨勢線。計算每個電池電壓樣本的高階多項式將變得不切實際。該趨勢線方程用于將電池電壓與 SOC 關聯(lián)起來。圖6中的實線 顯示平均 SOC 曲線，而虛線代表趨勢線。我們稱之為“多項式”逼近方法，趨勢線的方程如圖 6 所示。

圖 6：可用于將電池電壓近似為剩余電量百分比的四階多項式。

使用 MAX17055 進行基線測試最后，我們將這兩個近似值與 Maxim 的電量計 IC MAX17055 的輸出進行了比較。MAX17055 輸出許多結果，包括電池電壓、負載電流、壽命和溫度。它還使用 ModelGauge m5 算法來估算電池的 SOC。以恒定負載對電池進行放電的結果會隨著時間的推移產生 SOC 的線性下降，這是我們希望看到的結果。您可以通過圖 7中的紫色圖表查看電量計 IC 的讀數，以及上述線性和多項式近似值。

圖 7：基于分壓器的線性模型、分壓器的多項式模型和電量計的 SOC 以恒定電流放電時的電池充電。

當查看圖 7中的結果時，很明顯，每個近似值都假設電池在不同時間充滿 50% 和 25%。圖 8 顯示了電池放電時 NeoPixels 的顏色。右側的條形圖將我們使用的每個模型的運行時間百分比與我們期望看到的期望結果進行了比較。線性模型的條形圖顯示，當電池電量接近 25% 時，NeoPixels 保持綠色，表示電量 》50%！

圖 8：左圖顯示了使用每個模型放電期間的 NeoPixel 顏色。右側的圖表以易于與所需結果進行比較的形式說明了相同的數據。

在這種情況下，多項式模型和電量計都報告了相當準確的結果。然而，實際設計并未使用恒定負載電流。即使模型可以用于恒流負載，但在切換到更現實的脈沖負載時它也可能會損壞。

使用所有方法進行脈沖負載測試為了真正測試所有三種電量計方法的功能，我們必須在系統(tǒng)中放置一個真實的脈沖負載電流來運行另一個實驗。負載在 125 mA 4 分鐘和 60 mA 2 分鐘之間交替。我們使用了與上述基線測試相同的三種方法——基于分壓器的線性模型、基于分壓器的多項式模型以及 MAX17055 報告的 SOC。脈沖負載測試的結果見圖9。紫線是電量計報告的一段時間內的 SOC。藍線是使用線性模型從分壓器得到的近似 SOC，而綠線是使用多項式模型近似的。圖 10 顯示放電期間 NeoPixels 的顏色。

圖 9：基于分壓器的線性模型、分壓器的多項式模型和電量計的 SOC 以恒定電流放電時的電池充電。

圖 10：當電池在脈動負載下放電時，每個型號的 NeoPixels 的顏色。

使用分壓器的結果來近似剩余電池容量的兩種方法都在其輸出中引入了錯誤脈沖。這些結果顯然是不準確的，并且會產生令人困惑的結果，在綠色和黃色以及黃色和紅色之間交替出現。這證明了負載變化對電池端電壓的影響。Maxim 電量計中的復雜算法顯示了對負載效應的抗擾度，并繼續(xù)輸出與電池實際 SOC 匹配的 SOC 線性下降?？紤]到應用中的負載電流不斷變化，而不僅僅是每隔幾分鐘一次，這些發(fā)現只強調了使用像 MAX17055 這樣的電量計 IC 的重要性。

結論

當我使用我最喜歡的便攜式電子設備時，我希望對電池剩余電量的準確性充滿信心。雖然有一些簡單、廉價的方法可以估計充電狀態(tài)，但它們的結果遠非準確。FLORA 上使用的分壓器等方法報告的數據隨負載變化很大。這可能會讓我認為我還有足夠的電池容量可以再走 10 分鐘，只是在我找到她之前關閉了我的狗的追蹤器。更先進的電量計 IC，如 MAX17055，提供了我可以信賴的精度。我的實驗結果有助于證明電量計 IC 物有所值。

審核編輯：郭婷