如何精確預測電池電量

電池是便攜式電子設備的唯一電力來源。無論是使用智能手機、健身追蹤器、運動相機、室外導航設備、相機還是手持式收發(fā)器，都會遇到意想不到的低電量警告。大多數(shù)情況下，這類警告信息只會帶來不便，但對于安全和應急設備來說，可能會造成嚴重的后果。

通過電量計確定電池充電狀態(tài)

由于電池材料、化學成分和環(huán)境溫度都會發(fā)生變化，因此只通過電量計檢測電池電壓所得到的結果并不可靠。此外，電池阻抗也會隨著充電狀態(tài)和電池老化程度而變化，實現(xiàn)精確測量更是難上加難。每種電池的化學特性都會產(chǎn)生一種獨特的放電特征，有些比較適合表示基于電壓的充電狀態(tài)，而有些電壓和負載電流放電曲線幾乎是一條直線，使得電量計只能顯示100%或一條平坦的曲線。

所以需要引入另一種能夠測量電池充放電電流的方法，即所謂的庫侖計法來確定充電狀態(tài)。這種方法考慮到了電池老化和自放電特性。

充電狀態(tài)對安全和消費者體驗的重要性

隨著消費者對技術的日益了解，能否精確地指示電池充電狀態(tài)成為了衡量手持消費電子設備的關鍵指標。為了準確地預測電池充電狀態(tài)，許多制造商會根據(jù)特定的應用和用例來定制化電池，導致產(chǎn)品延遲上市，有些情況下還需向第三方供應商發(fā)貨。然而，國家對于鋰離子等電池的運輸監(jiān)管法規(guī)越來越嚴格，對運輸方式和剩余電量均有明確的規(guī)定。

除了電池運輸法規(guī)外，為了便于日常使用和儲存，還需要在設計中加入其他監(jiān)測電子設備，以使相對易揮發(fā)的電池 (許多電池能夠提供數(shù)百安培的電流) 能在安全的參數(shù)范圍內(nèi)運行。售后電池供應商為了節(jié)省成本往往會忽略電池安全問題，因此需要設備制造商在其電池和終端產(chǎn)品設計中增加電池加密認證技術，以免出現(xiàn)安全問題。

測量充電狀態(tài)所面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，能夠準確測量電池充電狀態(tài)并將其顯示在電量計上，不僅需要考慮運行期間的功耗，還需考慮待機期間的功耗。在運輸和倉儲過程中，還需要考慮設備放在櫥柜中或“箱子里”時所產(chǎn)生的靜態(tài)電流。電量計本身也會消耗能量，因此，在計算電池可攜帶多少電量，以及消費者收到電池后是否有足夠的電量來工作時，需要考慮到這一點。作為消費者，我們喜歡產(chǎn)品在收到后無需充電即能工作。而為了保持電量計指示準確，相關電路必須始終處于接通狀態(tài)。在消費者使用產(chǎn)品之前關閉電量計，會造成充電狀態(tài)指示不夠準確。請注意，為確保運輸和倉儲期間的安全，如果溫度過高或部件故障導致出現(xiàn)短路情況，請謹慎啟用蓄電池保護功能 (溫度、電流和電壓監(jiān)測)。

精確的充電狀態(tài)測量解決方案

Maxim Integrated MAX1730x低功耗系列就是一個很好的示例，它在3mm×3mm的封裝中集成了電量計、保護和認證功能。MAX17301用于測量鋰離子電池或鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，當激活輸出FET時，具有24μA的超低靜態(tài)電流，休眠期間更是低至18μA；禁用FET時，電流可降至0.1μA。此IC提供了一系列全面的電池健康狀態(tài)和安全保護功能，包括過壓（取決于溫度）、過充電流、電池欠/過溫、欠壓和過放電/短路。MAX1730x還具有用于與主微控制器通信的單線/I2C接口，以便讀取MAX1730x的數(shù)據(jù)和控制寄存器 (圖1)。

圖1：Maxim Integrated MAX1730x方框圖 (來源：Maxim Integrated)

電池健康狀態(tài)和保護要求由電壓、電流和溫度決定。Maxim的ModelGauge m5算法可用于計算電池的充電狀態(tài)，既具有庫侖計出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電池開路電壓測量出色的長期穩(wěn)定性。此溫度補償算法的附加輸入可產(chǎn)生精確的充電狀態(tài)讀數(shù) (圖2)。該算法計算的是電池的開路電壓，包括帶載情況。

圖2：使用ModelGauge m5算法計算Maxim MAX1730x的校正充電狀態(tài) (來源：Maxim Integrated)

MAX1730x通過電池老化特性和放電率來補償電量計讀數(shù)。它提供了各種工作條件下的充電狀態(tài)百分比或毫安時 (mAh) 讀數(shù)。該算法還可提供滿充時間和老化預測功能，以預測電池何時開始因老化和使用而導致容量下降。數(shù)據(jù)記錄功能使用非易失性存儲器記錄電池壽命周期內(nèi)的多達13個參數(shù)，包括自首次通電以來的時間。圖3演示了ModelGauge m5算法的工作原理。

圖3：詳細說明Maxim Integrated ModelGauge m5算法的原理圖表 (來源：Maxim Integrated)

結論

能夠在電量計中準確顯示電池的充電狀態(tài)，而無需對蓄電池進行耗時的特性描述，是衡量一個產(chǎn)品是否成功的關鍵。Maxim采用ModelGauge m5算法的電量計IC MAX1730x不僅實現(xiàn)了這一功能，而且通過結合保護和認證功能，節(jié)省了寶貴的電路板空間和材料清單 (BOM)。

審核編輯：郭婷