如何改善便攜式項(xiàng)目中的電池指示燈

作者： SAMANTHA MOREHEAD，圣克拉拉大學(xué) 和 MOHAMED ISMAIL，應(yīng)用技術(shù)高級成員 Maxim Integrated

我們最初項(xiàng)目中的幾乎所有東西都運(yùn)行良好——我們能夠獲取 GPS 坐標(biāo)、閃爍 NeoPixels 的不同顏色，并使用我們的 ISM 發(fā)射器廣播坐標(biāo)。我們項(xiàng)目中唯一沒有按預(yù)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(xiàng)目運(yùn)行時測得的電池電壓的直線近似值。我們發(fā)現(xiàn) NeoPixels 在總運(yùn)行時間的 25% 中不是紅色的，而是在總運(yùn)行時間的 9% 中是紅色的。令人沮喪的是，我們沒有從當(dāng)前系統(tǒng)中獲得準(zhǔn)確的 SOC，因此我們決定對確定電池 SOC 的不同方法進(jìn)行一些調(diào)查，以確定哪種方法最準(zhǔn)確。

分壓器與電量計(jì) 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(shù)并計(jì)算其端子處的電池電壓。根據(jù)電池的特性和系統(tǒng)的關(guān)斷電壓，使用端電壓來估計(jì)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(jì)算 SOC 的方法的一個主要缺點(diǎn)是它經(jīng)常產(chǎn)生不一致的讀數(shù)。電池的端電壓取決于 SOC，但也取決于負(fù)載電流、溫度和使用年限。這三個參數(shù)的任何變化都可能導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。如果負(fù)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(zhǔn)確性。我們最初的設(shè)計(jì)有一個持續(xù)的脈沖負(fù)載，并且是為戶外設(shè)計(jì)的，這導(dǎo)致了一個非常誤導(dǎo)性的電池壽命指標(biāo)。

分壓器方法的一種替代方法是使用電量計(jì) IC。燃油計(jì)量方法非常復(fù)雜，因此更昂貴；然而，他們承諾的準(zhǔn)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(jì) IC！MAX17055使用Maxim的電量計(jì)算法ModelGauge m5，它結(jié)合了兩種最常用的電量計(jì)量方法——庫侖計(jì)數(shù)和開路電壓測量——以1%的誤差報告電池的SOC。ModelGauge m5 技術(shù)的另一個創(chuàng)新特性是它包含一個 EZ 配置功能，無需進(jìn)行電池表征。這使您可以輕松地將芯片集成到您的設(shè)計(jì)中，而無需執(zhí)行大多數(shù)電量計(jì) IC 所需的復(fù)雜電池表征任務(wù)。

圖 4：Maxim 的 MAX17055 電量計(jì) IC 利用 ModelGauge m5 技術(shù)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(jì) IC 進(jìn)行比較，我們進(jìn)行了一系列測試。在進(jìn)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(jié)果一致。首先，我們通過以恒定負(fù)載對電池進(jìn)行放電來進(jìn)行基線測試，同時觀察分壓器和電量計(jì)的結(jié)果。接下來，我們使用更真實(shí)的脈沖負(fù)載對電池進(jìn)行放電，并觀察分壓器和電量計(jì)的精度。

使用電阻分壓器進(jìn)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(jìn)行一些計(jì)算才能將電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為易于理解的百分比電荷。首先，我們使用 125 mA 的恒定負(fù)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(fù)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(guān)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(guān)。電池的最小放電電壓為 3.0 V，因此該電壓與 0% 充電相關(guān)。從這兩個估計(jì)中，可以使用線性方程將 FLORA 上的分壓器報告的電池電壓轉(zhuǎn)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(guān)系，但它不是很準(zhǔn)確，因?yàn)槿鐖D5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(fù)載電流恒定的情況下，經(jīng)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(guān)，即首次將負(fù)載放在電池上時。零電量與設(shè)備關(guān)閉的時間相關(guān)。為了使用這種方法形成一個準(zhǔn)確的模型，我們發(fā)現(xiàn)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(jì)算每個電池電壓樣本的高階多項(xiàng)式將變得不切實(shí)際。該趨勢線方程用于將電池電壓與 SOC 關(guān)聯(lián)起來。圖6中的實(shí)線 顯示平均 SOC 曲線，而虛線代表趨勢線。我們稱之為“多項(xiàng)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(xiàng)式。

使用 MAX17055 進(jìn)行基線測試最后，我們將這兩個近似值與 Maxim 的電量計(jì) IC MAX17055 的輸出進(jìn)行了比較。MAX17055 輸出許多結(jié)果，包括電池電壓、負(fù)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(fù)載對電池進(jìn)行放電的結(jié)果會隨著時間的推移產(chǎn)生 SOC 的線性下降，這是我們希望看到的結(jié)果。您可以通過圖 7中的紫色圖表查看電量計(jì) IC 的讀數(shù)，以及上述線性和多項(xiàng)式近似值。

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

當(dāng)查看圖 7中的結(jié)果時，很明顯，每個近似值都假設(shè)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(cè)的條形圖將我們使用的每個模型的運(yùn)行時間百分比與我們期望看到的期望結(jié)果進(jìn)行了比較。線性模型的條形圖顯示，當(dāng)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(cè)的圖表以易于與所需結(jié)果進(jìn)行比較的形式說明了相同的數(shù)據(jù)。

在這種情況下，多項(xiàng)式模型和電量計(jì)都報告了相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)并未使用恒定負(fù)載電流。即使模型可以用于恒流負(fù)載，但在切換到更現(xiàn)實(shí)的脈沖負(fù)載時它也可能會損壞。

使用所有方法進(jìn)行脈沖負(fù)載測試為了真正測試所有三種電量計(jì)方法的功能，我們必須在系統(tǒng)中放置一個真實(shí)的脈沖負(fù)載電流來運(yùn)行另一個實(shí)驗(yàn)。負(fù)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(xiàng)式模型以及 MAX17055 報告的 SOC。脈沖負(fù)載測試的結(jié)果見圖9。紫線是電量計(jì)報告的一段時間內(nèi)的 SOC。藍(lán)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(xiàng)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(xiàng)式模型和電量計(jì)的 SOC 以恒定電流放電時的電池充電。

圖 10：當(dāng)電池在脈動負(fù)載下放電時，每個型號的 NeoPixels 的顏色。

使用分壓器的結(jié)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(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的，并且會產(chǎn)生令人困惑的結(jié)果，在綠色和黃色以及黃色和紅色之間交替出現(xiàn)。這證明了負(fù)載變化對電池端電壓的影響。Maxim 電量計(jì)中的復(fù)雜算法顯示了對負(fù)載效應(yīng)的抗擾度，并繼續(xù)輸出與電池實(shí)際 SOC 匹配的 SOC 線性下降?？紤]到應(yīng)用中的負(fù)載電流不斷變化，而不僅僅是每隔幾分鐘一次，這些發(fā)現(xiàn)只強(qiáng)調(diào)了使用像 MAX17055 這樣的電量計(jì) IC 的重要性。

結(jié)論

當(dāng)我使用我最喜歡的便攜式電子設(shè)備時，我希望對電池剩余電量的準(zhǔn)確性充滿信心。雖然有一些簡單、廉價的方法可以估計(jì)充電狀態(tài)，但它們的結(jié)果遠(yuǎn)非準(zhǔn)確。FLORA 上使用的分壓器等方法報告的數(shù)據(jù)隨負(fù)載變化很大。這可能會讓我認(rèn)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(guān)閉了我的狗的追蹤器。更先進(jìn)的電量計(jì) IC，如 MAX17055，提供了我可以信賴的精度。我的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于證明電量計(jì) IC 物有所值。

審核編輯：郭婷