電池設(shè)備的普及應(yīng)用 電池電量測(cè)量的原理

《高精度 60V 電池電量監(jiān)測(cè)》系列專(zhuān)輯由兩篇文章構(gòu)成，圍繞電池電量監(jiān)測(cè)，主要介紹了 ADI LTC2944 高至 60V 精準(zhǔn)庫(kù)侖計(jì)方案，助力打造高性能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文《高精度 60V 的精密電池電量監(jiān)測(cè) (上) 》分享了電池設(shè)備的普及性、準(zhǔn)確電量監(jiān)測(cè)的重要性以及電量測(cè)量的原理。在下一篇《高精度 60V 電池電量監(jiān)測(cè) (下) 》一文中，將對(duì) LTC2944 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及具體的庫(kù)侖計(jì)方案進(jìn)行深入解析。

電池設(shè)備的普及應(yīng)用

從手機(jī)電腦、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)工具，再到新能源汽車(chē)、醫(yī)療儀器、工業(yè)設(shè)備，電池已經(jīng)成為越來(lái)越多電子產(chǎn)品的標(biāo)配部件。尤其是輕便的鋰離子電池的誕生，讓所有設(shè)備脫離電源線(xiàn)成為了可能。這些設(shè)備可以顯示當(dāng)前的剩余電量或運(yùn)行時(shí)間，這是產(chǎn)品使用中最重要的用戶(hù)體驗(yàn)之一。

隨著時(shí)間的推移，我們能夠明顯感受到，電池始終是會(huì)越來(lái)越不耐用的。有時(shí)候，這會(huì)形成一種 “續(xù)航焦慮”，例如，雖然設(shè)備顯示剩余 “10%” 的電量，然而它可能在下一秒就立刻關(guān)機(jī)了。在很多高功率多電池的設(shè)備中，如果用戶(hù)沒(méi)有足夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池電量耗盡，就可能會(huì)出現(xiàn)十分危急或嚴(yán)重的后果，例如臨床醫(yī)療儀器的突然斷電會(huì)危及病人生命、工廠(chǎng)儀器的突然宕機(jī)會(huì)造成產(chǎn)線(xiàn)緊急關(guān)停。

如下圖 (圖1) 所示，為某型號(hào)鋰離子電池的循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系，可以明顯看到，充放電約深度，電池可使用的壽命越短。在日常的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們很難去約束客戶(hù)的充放電習(xí)慣，因此電池壽命往往是不可提前預(yù)測(cè)的，必須通過(guò)行而有效的電氣測(cè)量手段測(cè)量。

圖1 鋰電池的循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系

如何精準(zhǔn)地測(cè)量電池剩余電量、預(yù)測(cè)電池真實(shí)續(xù)航能力，是電子工程界一直致力解決的技術(shù)問(wèn)題。由于電池是一種不穩(wěn)定的電化學(xué)系統(tǒng)，對(duì)它的準(zhǔn)確電參數(shù)采集就至關(guān)重要，實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測(cè)功能顯然需要精密且專(zhuān)用的模擬電路方案。

高集成化電量監(jiān)測(cè)

除了充電、保護(hù)和電池平衡電路外，電池電量測(cè)量也是智能多電池系統(tǒng)中常見(jiàn)的功能之一。無(wú)論是什么樣的電池供電設(shè)備，涉及電池的電路系統(tǒng)都面臨著一系列獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵氐碾姎庑再|(zhì)總是在變化。例如，電池的最大容量 (也稱(chēng)為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率總是隨著時(shí)間的推移而降低，而充電和放電速率也會(huì)隨著溫度的變化而變化。精心設(shè)計(jì)的電池系統(tǒng)可以不斷地動(dòng)態(tài)處理這些參數(shù)變化，以便為使用者提供一致且準(zhǔn)確的電池性能變現(xiàn)參數(shù)。對(duì)應(yīng)到實(shí)際體驗(yàn)中，我們就可以準(zhǔn)確輸出一些指標(biāo)，讓產(chǎn)品更具 “高級(jí)感”，包括：

當(dāng)前剩余充電時(shí)間

當(dāng)前系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間

預(yù)期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))

從目前電子行業(yè)的主流技術(shù)來(lái)看，準(zhǔn)確的電池電量測(cè)量功能，需要一個(gè)精準(zhǔn)的電池庫(kù)侖計(jì) IC 和相關(guān)的電池專(zhuān)用模型，最終系統(tǒng)是需要形成一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——荷電狀態(tài) (SOC)。SOC 是指電池使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后，剩余容量與其全新且完全充電狀態(tài)時(shí)的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡(jiǎn)單地理解為，SOC 是當(dāng)前電池容量占最大容量的百分比。雖然市面上有一些電量計(jì) IC 集成了電池模型和算法，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些 IC 往往會(huì)以犧牲準(zhǔn)確性為代價(jià)，以簡(jiǎn)化 SOC 的估計(jì)算法。

如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號(hào) LTC2944 的庫(kù)侖計(jì)，它可以支持到最高 60V 的電池電壓，它提供的是最基本的精準(zhǔn)庫(kù)侖計(jì)方案，再由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際使用的電池模型進(jìn)行電量估計(jì)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能。這是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)提供方式，將不確定因素開(kāi)放給用戶(hù)，以更自由地使用器件，兼容更多高精確度應(yīng)用，下篇文章中將進(jìn)行進(jìn)一步探討。

圖2LTC2944 60V庫(kù)侖計(jì)方案

電量測(cè)量的原理

目前的研究表明，精確的庫(kù)侖計(jì)數(shù)、電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計(jì) SOC 的先決條件，迄今為止，行業(yè)內(nèi)能夠做到的 SOC 估計(jì)誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所示是各種電池的典型充放電曲線(xiàn)，在傳統(tǒng)的電壓型電量估計(jì)方法中，最困難之處就在平坦充放電區(qū)間的電量估計(jì)，因?yàn)檫@時(shí)電池電量的變化只會(huì)帶來(lái)很小電壓變化，于是會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)報(bào)告 75% 的 SOC，然后卻突然下降到 15% 的 SOC。

庫(kù)倫計(jì)數(shù)的方式，能夠很精確地確定當(dāng)前電池處于曲線(xiàn)哪個(gè)位置，尤其是平坦區(qū)的位置。具體的方法是：

當(dāng)電池充滿(mǎn)電時(shí)，用戶(hù)將庫(kù)侖計(jì)數(shù)器初始化為已知的電池容量。

在釋放庫(kù)侖時(shí)遞減計(jì)數(shù)或在充電庫(kù)侖時(shí)遞增計(jì)數(shù) (能適應(yīng)只充一部分電的情況)。

這種方案最大的優(yōu)勢(shì)在于，這種電量計(jì)算方式不需要知道電池的化學(xué)成分。由于 ADI LTC2944 集成了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，因此這款 IC 可以輕松地用于多種電池設(shè)備，與電池的化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)。

圖3 各種類(lèi)型電池的典型充放電曲線(xiàn)

在電路系統(tǒng)得到庫(kù)倫計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)之后，軟件算法上，要根據(jù)電池模型進(jìn)行數(shù)學(xué)換算，以確定 SOC 的值，如下圖 (圖4) 所示的是一種經(jīng)典的電池模型，涉及到串聯(lián)并聯(lián)的多個(gè)參數(shù)，實(shí)際上，這里還沒(méi)有考慮比較重要的溫度參數(shù)影響。模型分析與換算的方法是專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，在此不進(jìn)行贅述，但可以確定的是，這個(gè)模型最基本要獲知的就是電壓、電流以及庫(kù)侖計(jì)數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)。若您對(duì)此技術(shù)感興趣，希望進(jìn)一步了解和討論，可以聯(lián)系駿龍科技的技術(shù)人員。

圖4經(jīng)典的電池模型

本文提到的 LTC2944 能夠以行業(yè)內(nèi)最高精度的水平，提供這些數(shù)據(jù)，作為用戶(hù)進(jìn)一步算法的支撐，那么 LTC2944 的工作原理是什么？又如何保證高精度？這些內(nèi)容將會(huì)在下篇文章《高至 60V 的精密電池電量監(jiān)測(cè)(下)》中詳細(xì)論述。

總結(jié)

電池已經(jīng)無(wú)處不在，而設(shè)計(jì)出優(yōu)秀使用體驗(yàn)感的電池系統(tǒng)是非常有挑戰(zhàn)的工作。從電池真實(shí)剩余容量角度出發(fā)，目前電子行業(yè)內(nèi)最準(zhǔn)確的檢測(cè)方法是基于庫(kù)侖計(jì)原理，這涉及到多種參數(shù)的采集和專(zhuān)業(yè)的模型換算，然而，這一切的基礎(chǔ)是提供精準(zhǔn)的電壓電流、工作溫度、庫(kù)侖計(jì)數(shù)參數(shù)。本文提出的 LTC2944 的高性能方案，能夠?qū)崿F(xiàn)這些基礎(chǔ)參數(shù)，為用戶(hù)打造高性能電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅