表征與電量計一起使用的Li+電池

準確的電池電量計依賴于了解不同環(huán)境和操作條件下電池行為的幾個特征。為了收集這些所需的信息，必須在已知條件下對電池進行表征。本應用筆記概述了表征電池的分步方法，包括如何收集和解釋數(shù)據(jù)。本文還介紹了如何將數(shù)據(jù)集成到Maxim電池管理器件的評估軟件中，以便與電量計軟件算法配合使用。

介紹

為了準確估計Li+電池的剩余容量，有必要知道電池如何隨溫度和各種電流負載而變化。本應用筆記概述了一種表征Li+電池的方法，收集和解釋數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加載到Maxim電池管理器件的評估軟件中，以便與電量計配合使用。該器件將使用累積電流寄存器（ACR）監(jiān)控流入和流出Li+電池的電流，電量計會將ACR與計算出的電池滿點和空點進行比較，以確定剩余容量。

表征Li+電池的程序

1. 確定充放電曲線

表征Li+電池的最佳方法是創(chuàng)建一個盡可能接近實際應用的環(huán)境。這包括保護電路、由應用的典型工作和待機電流組成的放電曲線、充電曲線以及應用可能經(jīng)歷的環(huán)境溫度。這需要一種方法來模擬電池的充電和放電以及改變溫度的能力。通常，用于表征的溫度范圍為0°C至40°C，步長為10°C。 評估軟件要求溫度點相距10°C。

有功電流是最終用戶使用應用時從Li+電池汲取的典型電流。待機電流是應用處于空閑狀態(tài)時從Li+電池汲取的典型電流。

評估的燃油計量部分所指的活動空點和備用空點 軟件定義為Li+電池達到空電壓（由用戶定義）的容量 負載分別為有功電流和待機電流。空點如圖 1 所示，可在步驟 5 中找到。用戶可以為有功電流和待機電流負載定義單獨的空電壓。滿點定義為充電電路認為Li+電池充滿電的容量。

圖1.降壓放電期間隨時間變化的電壓和電流。

2. 校準器件的偏移寄存器

按照特定器件數(shù)據(jù)手冊的規(guī)定，將Maxim電池管理器件正確連接到Li+電池后，下一步是校準器件的失調(diào)。使用針對所用特定器件的評估軟件，可以輕松校準失調(diào)。確保電路上沒有負載，然后單擊“儀表”選項卡上的“校準偏移”按鈕。如果未使用評估軟件，應用筆記224“校準DS2761的失調(diào)寄存器”中提供了校準失調(diào)的分步方法。

3. 開始記錄數(shù)據(jù)

使用評估軟件可以輕松記錄數(shù)據(jù)。只需轉到數(shù)據(jù)日志選項卡，將采樣間隔設置為 15 秒，然后單擊日志數(shù)據(jù)。建議使用 15 秒間隔，因為它記錄的數(shù)據(jù)足以捕獲所有數(shù)據(jù)點，而不會創(chuàng)建太大的文件。所有實時數(shù)據(jù)都將記錄到指定的文件名中，直到按下“停止記錄數(shù)據(jù)”按鈕。

4. 在室溫下循環(huán)電池

重要的第一步是闖入細胞。通常，Li+電池的容量在其生命周期的第一個周期中會變化幾個百分點。建議在表征電池之前，將電池循環(huán) 20 個完整的充電和放電循環(huán)。此時不需要記錄數(shù)據(jù)，但這樣做將允許用戶監(jiān)控設備中在分析最終數(shù)據(jù)時需要考慮的任何額外偏移。

5. 在最高溫度下開始校準

建議在最高溫度下開始表征，因為通常這是Li+電池具有最大容量的地方，這為其余數(shù)據(jù)提供了良好的參考點。讓電池在最高溫度下穩(wěn)定，然后將電池完全放電到待機空電量點。接下來，根據(jù)應用程序的充電曲線對電池充滿電;這將是該溫度的滿分。然后將電池完全放電至用戶定義的有功空電壓下有功電流負載，以找到有源空點。最后，將負載更改為待機電流值，并繼續(xù)將電池放電至待機空電壓以找到待機空電量點。

為了加快該過程，用戶可以選擇將電流從有源電流負載降壓到待機電流負載。考慮一個如圖1所示的示例，其中有功電流定義為200mA，待機電流定義為5mA，空電壓定義為3.3V。在200mA負載下將電池放電至3.3V以達到有效空點是可以接受的，然后在允許電池松弛幾秒鐘后，在電池上放置100mA負載，直到再次達到空電壓。繼續(xù)將電流負載降壓至50mA，20mA，10mA，最后降至5mA，直到達到空電壓，該點將成為待機空電量點。這將使電池達到同一點，而無需在5mA負載下延長電池放電所需的時間。

6. 在每個溫度下重復

一旦達到某個溫度的待機空電量點，就轉到下一個溫度并開始充滿電。充電完成后，這將是該溫度下的滿點。然后放電到活動和備用空點。繼續(xù)此過程以逐步完成所有所需的溫度點。

從表征數(shù)據(jù)中確定數(shù)據(jù)點

評估軟件以制表符分隔的格式將實時數(shù)據(jù)記錄到文本文件中，以便輕松導入電子表格。然后可以對數(shù)據(jù)進行排序或繪制圖形以查找所需的數(shù)據(jù)。

7. 找到所有必要的數(shù)據(jù)點

然后，用戶可以對日志文件進行排序，并標記所有滿點、活動空點和備用空點。執(zhí)行此操作的一種簡單方法是滾動數(shù)據(jù)并查看“當前”列并注意當前讀數(shù)的變化，并在電子表格的未使用列中放置“x”。例如，當電流從充電變?yōu)榉烹姇r標記一個滿點，或者當有功電流負載結束時標記為活動空點，或者當電流從放電變?yōu)槌潆姇r標記為待機空點。然后使用電子表格應用程序的自動篩選功能輕松查看已標記的興趣點。

表1所示為DS2761在表征Li+電池時收集的數(shù)據(jù)示例，其中感興趣點被濾除并標記。本例中使用的充電曲線是900mA的恒流充電，直到電壓達到4.2V。然后電池以4.2V的恒定電壓充電，直到電流逐漸減小到70mA以下，這被定義為滿點。有效空點定義為3mA負載下的0.350V。待機空置點定義為 2mA 負載下的 7.3V。在40°C、30°C、20°C、10°C和0°C下對細胞進行了表征。

如果在步驟4中循環(huán)單元格期間記錄了數(shù)據(jù)，則可以比較空點以查看是否存在增加或減少的趨勢，這將表明當前讀數(shù)存在一些偏移。由于循環(huán)是在恒定溫度下完成的，因此如果偏移完全抵消，空點應全部對齊。如果檢測到偏移，則需要將其作為添加到ACR列的偏移包含在數(shù)據(jù)中，以獲得Li+電池的準確表征。

表 1.Li+電池的表征數(shù)據(jù)

8. 確定容量數(shù)據(jù)點

用于確定Li+電池在不同溫度下的滿點和空點的數(shù)據(jù)將是日志文件的ACR列中的數(shù)據(jù)。滿點和空點是相對數(shù)據(jù)點，需要引用到一個固定數(shù)據(jù)點。選擇最高溫度下的待機空置點作為參考點，因為它通常是ACR在表征過程中將達到的最低點（表1中突出顯示了該點）。因此，所有讀數(shù)都將大于此點，以便于數(shù)據(jù)存儲。

表 2 顯示了表 1 中每個感興趣點的 ACR 讀數(shù)。選擇40°C時的待機空電量點作為參考點，因此所有ACR讀數(shù)都應減去71.04mAhrs以確定其他滿電量點和空電量點。表40顯示了相對于3°C待機空電量點的滿電量和空電量的簡單表，可輕松輸入評估軟件以存儲在器件中。

表 2.從表1中提取的滿點和空點

表 3.滿電量點和空電量點以 40°C 時的待機空電量點為參考

9. 確定斷點

用于估計剩余充電時間的數(shù)據(jù)點是斷點。斷點用于用 2 條線近似充電期間的 ACR 曲線，如圖 2 所示。用戶選擇斷點作為 ACR 曲線“中斷”的點，以便 2 線近似具有最小的誤差。

圖2.在 2°C 下充電期間隨時間變化的 ACR 和 20 線近似值。

確定斷點的最簡單方法是繪制充電期間隨時間變化的 ACR，并直觀地確定曲線突破的位置。建議從中間溫度中選擇 ACR 曲線，并將該斷點用于所有溫度。斷點將存儲為小于滿點的 mAhrs 數(shù)。在圖2中，斷點比滿點小約100mAhrs。

10. 確定充電時間估計數(shù)據(jù)點

FuelPack 算法需要斷點和每個溫度下從空到滿的分鐘數(shù)以及從斷點到滿點的分鐘數(shù)，以返回剩余充電時間的準確估計值。有必要返回數(shù)據(jù)并標記所有斷點。這可以通過簡單地找到完整點并返回在步驟 9 中選擇作為斷點的 mAhr 數(shù)來完成。

從表1中的數(shù)據(jù)中，獲取前一個溫度（即充電開始時）下每個待機空電量點的時間戳、斷點和滿電量點，如表4所示。表 4 還顯示了每個數(shù)據(jù)點的 ACR。然后使用這些時間戳計算每個溫度下空點和滿點之間的分鐘數(shù)以及斷點到滿點，如表 5 所示。評估軟件的電量計算法僅為 3 個溫度的充電數(shù)據(jù)分配足夠的 EEPROM，因此應將 0°C、20°C 和 40°C 的數(shù)據(jù)寫入器件。

表 4.每個溫度下待機空點、中斷點和滿點的時間戳

表 5.估計剩余充電時間所需的數(shù)據(jù)點

將數(shù)據(jù)編程到設備并啟動電量計

11. 使用適當?shù)臄?shù)據(jù)對設備進行編程

使用評估套件使用表3和表5中的數(shù)據(jù)對器件進行編程。手動將該數(shù)據(jù)輸入到“包裝信息”選項卡的“燃油計量數(shù)據(jù)”子選項卡的文本框中，如圖 3 所示，然后單擊“寫入”按鈕（未顯示）。數(shù)據(jù)將被寫入設備的暫存器，然后復制到EEPROM。

圖3.將燃油測量所需的數(shù)據(jù)加載到評估軟件中。

12. 同步 ACR

準確報告Li+電池容量的最后一步是將設備的ACR與電池容量同步。一種簡單的方法是根據(jù)應用的充電曲線對Li+電池充滿電，然后將ACR設置為該溫度下的滿點。要使用評估軟件執(zhí)行此操作，請單擊“電量計”選項卡上的“啟動電量計”按鈕啟動電量計，如圖 4 所示。充電完成后，單擊“電量計”選項卡上的“滿”按鈕，ACR 將與電池的容量同步。

圖4.評估軟件的燃油測量選項卡。

總結

Maxim電量計算法提供了一種精確的方法來跟蹤Li+電池在電池由應用充電和放電時的容量。這需要了解電池的容量以及它在應用可能經(jīng)歷的各種負載和溫度下的行為。使用Maxim提供的評估軟件采集并存儲特性數(shù)據(jù)后，電量計將準確估算電池的剩余容量。

審核編輯：郭婷