電池電量計(jì)：以精度制勝

摘要：電池電量計(jì)用于確定可充電電池中的剩余電量以及在特定工作條件下電池還能持續(xù)供電的時(shí)間，本應(yīng)用筆記討論測量鋰離子電池剩余電量所面臨的挑戰(zhàn)以及面對(duì)這些挑戰(zhàn)所采取的不同方案。

引言

移動(dòng)電話問世后，可充電電池及其相關(guān)的電量指示已成為我們信息社會(huì)的一個(gè)組成部分。對(duì)我們而言，它們就像在過去100年里發(fā)揮著重要作用的汽車燃料指示器一樣重要，唯一不同的是：司機(jī)不能容忍的是不準(zhǔn)確的燃料指示，而手機(jī)用戶則寄希望于得到高精度、高分辨率的指示器。通過簡單的方法無法實(shí)現(xiàn)高精度電量計(jì)量，只有從正確的方法入手才有可能獲得高精度。

鋰離子電池

在解決了諸多技術(shù)問題后，直到1997年鋰離子電池才開始大批量生產(chǎn)。因?yàn)榭梢蕴峁┳罡叩哪芰棵芏?體積密度和重量密度，見圖1)，它們被廣泛用于從移動(dòng)電話到電動(dòng)汽車的各種系統(tǒng)。


圖1. 各種電池類型的能量密度

鋰電池具有一些影響電量的關(guān)鍵特性，電池組必須包含各種安全機(jī)制，以防止電池過充電、深度放電或反向連接。由于鋰元素非常活躍，有潛在的爆炸危險(xiǎn)，因此鋰電池不可暴露于高溫環(huán)境。

鋰離子電池的陽極由碳化物組成，陰極由金屬氧化物組成，并且采用對(duì)晶格破壞最小的方式添加鋰，這個(gè)過程被稱為植入。金屬鋰會(huì)與水發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)，因此鋰電池采用非液態(tài)的有機(jī)鋰鹽作為電解質(zhì)。對(duì)鋰電池充電時(shí)，鋰原子在陰極離子化，并通過電解質(zhì)傳遞至陽極。

電池容量

電池最重要的參數(shù)(除了電壓之外)是容量(C)，單位為mA時(shí)，其定義是電池可提供的最大電量。制造商定義的容量為電池在特定放電條件下的值，但是電池出廠后，容量會(huì)發(fā)生變化。


圖2. 溫度對(duì)電池容量的影響

電池容量與電池溫度有關(guān)(圖2)，最上方的曲線顯示了鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過程。從該曲線可以看出，與-20°C下的充電數(shù)據(jù)相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。

圖2下方的兩條曲線表示，電池放電時(shí)受溫度的影響更大，這些曲線顯示了一個(gè)完全充滿的電池在兩種不同放電電流下放電到截止點(diǎn)2.5V時(shí)的剩余電量，從這兩條曲線可以看出電池剩余容量與放電電流、溫度有關(guān)。在給定溫度和放電速率下，所能獲得的鋰電池容量是最上方曲線與下方對(duì)應(yīng)曲線的差值。因此，在低溫或大電流放電時(shí)，鋰電池所能提供的容量將大幅減少。在低溫或大電流放電時(shí)，電池剩余電量較大，能夠在相同溫度下以較小的電流放電。

自放電

由于電解質(zhì)中混有雜質(zhì)，電池內(nèi)部存在不期望的化學(xué)反應(yīng)，造成電量損失。常見的電池類型在室溫下的典型自放電率如表1所示。

表1. 自放電率

Chemistry	Self-Discharge/Month
Lead-acid	4% to 6%
NiCd	15% to 30%
NiMH	30%
Lithium	2% to 3%

化學(xué)反應(yīng)的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)(圖3)。對(duì)于不同類型的電池，自放電可以用一個(gè)并聯(lián)電阻消耗漏電流進(jìn)行建模。


圖3. 鋰離子電池的自放電

老化

電池容量隨著充放電次數(shù)的增加而減少(圖4)，這種變化被量化為工作壽命，即一個(gè)電池在其容量降至初始容量80%之前的充/放電次數(shù)。典型鋰電池的工作壽命為300至500次充/放電次數(shù)。

鋰電池壽命還受時(shí)間的影響，無論使用與否，其容量在出廠后即開始逐漸下降。25°C時(shí)，這種效應(yīng)可以導(dǎo)致一個(gè)完全充滿的電池每年損失20%的電量；40°C時(shí)損失35%。對(duì)于沒有完全充滿電的電池，這種老化過程較為緩慢：25°C時(shí)，殘余有40%電量的電池每年損失大約4%的電量。


圖4. 電池老化

放電曲線

電池的數(shù)據(jù)資料規(guī)定了特定條件下的放電特征曲線，其中一個(gè)影響電池電壓的因素是負(fù)載電流(圖5)。不幸的是，負(fù)載電流無法通過一個(gè)簡單的源電阻建模，因?yàn)樵撾娮枞Q于其它參數(shù)，比如電池老化程度和電量水平。


圖5. 電池放電曲線

與原電池相比，可充電鋰電池表現(xiàn)出非常平坦的放電曲線。系統(tǒng)開發(fā)人員比較青睞這一特性，因?yàn)殡姵厮峁┑碾妷捍笾虏蛔?。然而，隨著電池的放電，電池電壓幾乎與剩余電量沒有關(guān)聯(lián)。

精確測量充電電壓

為了確定電池的可用電量，首先要求使用簡單的檢測方法，檢測電路僅消耗微量功耗，允許用戶從電池電壓推算出電量水平(理想化)。然而，由于電壓與電量之間不存在明確的關(guān)系(圖5)，只是檢測電池電壓所能提供的結(jié)果并不可靠。另外，電池電壓還依賴于溫度以及動(dòng)態(tài)釋放效應(yīng)(降低負(fù)載電流時(shí)會(huì)使端電壓輕微回升)。因此，單純的電壓檢測方案很難保證電量監(jiān)測精度高于25%。

電量的相對(duì)水平，通常稱為充電狀態(tài)(SOC)，是指剩余電量與電池容量的比。該參數(shù)的確定需要監(jiān)測流入、流出的電荷量—一種所謂的“庫侖計(jì)”法。實(shí)際的庫侖計(jì)是通過對(duì)流入、流出電池的電流進(jìn)行累計(jì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。用高分辨率ADC測量該電流時(shí)，通常需要使用一個(gè)小電阻與電池陽極串聯(lián)。

電量分析

由于無法確定電池充電狀態(tài)(SOC)與上文提到的一些參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，電池容量還要依靠經(jīng)驗(yàn)確定。目前還沒有詳盡的分析模型(具有足夠精度)用于計(jì)算特定工作條件下(例如溫度、充電次數(shù)、電流等)的容量。理論模型僅適用于確定條件，為了得到相對(duì)充電水平，這些模型用于特定條件并進(jìn)行整體校準(zhǔn)。

為了達(dá)到足夠高的電量計(jì)量精度，必須不斷地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)—采用所謂的電量“學(xué)習(xí)”方式，配合庫侖計(jì)，這種方法可以使電量計(jì)量精度達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。

電量計(jì)量方案選擇

對(duì)于不同類型、配置和應(yīng)用中的可充電電池，現(xiàn)代集成電路都可以確定其充電狀態(tài)(SOC)。盡管消耗少量的電源電流(工作模式消耗60μA，休眠模式消耗1μA)，這些芯片仍可獲得較高的精度。電量計(jì)芯片分為三種類型(表2)，因?yàn)殇囯姵厥嵌鄶?shù)應(yīng)用的首選，這里例舉了鋰離子和鋰聚合物電池的電量計(jì)量電路。

表2. 電量計(jì)電路

Part	Type of Fuel-Gauge IC	Function in Battery Pack	Function in Host System
DS2762	Coulomb counter	Measurement	Algorithm + display
DS2780	Fuel gauge	Measurement + algorithm	Display
MAX1781	Programmable fuel gauge	Measurement + flexible algorithm	Display

庫侖計(jì)，有時(shí)也就是大家所熟知的電池監(jiān)測器，用于測量、計(jì)數(shù)和電池參數(shù)的轉(zhuǎn)換，包括電量、溫度、電壓、充電次數(shù)以及使用時(shí)間等參數(shù)。庫侖計(jì)無法測量變量，還沒有智能化。這類芯片中的DS2762包含了高精度的25mΩ檢流電阻，還可監(jiān)測溫度、電池電壓和電流，并通過1-Wire?總線進(jìn)行通信，允許電池組或主機(jī)系統(tǒng)中的微控制器讀取所有數(shù)據(jù)?？梢越M成一個(gè)靈活的低成本系統(tǒng)，但需要了解相當(dāng)多的背景知識(shí)，并進(jìn)行一定的開發(fā)工作，通過IC供應(yīng)商提供的軟件、模型和支持可以降低開發(fā)成本。

另一種方法是使用電量計(jì)計(jì)算庫侖量，這種完備的集成方案可以運(yùn)行帶學(xué)習(xí)算法的電量計(jì)量，并可完成所有必要的測量。智能電池通常采用電量計(jì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，使用集成電量計(jì)所需的開發(fā)工作較少，有助于縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。DS2780即屬于完全集成的電量計(jì)，允許主機(jī)通過1-Wire總線讀取充電狀態(tài)(SOC)，并為鋰電池提供必要的安全保護(hù)電路。

另一種選擇是采用可編程電量計(jì)，這種電量計(jì)包括微控制器，可以提供相當(dāng)大的靈活性。例如MAX1781，內(nèi)部集成了RISC核、EEPROM和RAM。開發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)電池建模、電量計(jì)編程和必要的測量。簡單、精確的充電狀態(tài)(SOC)指示可以通過內(nèi)部LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

受多種相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)的影響，對(duì)于可充電電池的電量計(jì)量成為一項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)。簡單的測量無法提供準(zhǔn)確的結(jié)果，僅適用于一些不重要的應(yīng)用場合。通過使用現(xiàn)成的電量計(jì)芯片，可以實(shí)現(xiàn)高精度、可靠的電量計(jì)量。