電池電量計(jì) IC的電池管理設(shè)計(jì)方案

電池電量計(jì) IC（即電量計(jì)）是現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)的核心。它們不僅可以準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余容量，還可以作為主機(jī)的電池?cái)?shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)、一次電池保護(hù)裝置和電池平衡系統(tǒng)，以及維護(hù)電池使用歷史記錄。

一些電量監(jiān)測計(jì)系統(tǒng)包括一個(gè)模擬前端 IC，它提供高速保護(hù)和電壓測量功能，以及一個(gè)電量監(jiān)測計(jì) IC，用于維持容量估計(jì)和其他更復(fù)雜的功能。越來越多的 IC 結(jié)合了模擬前端和電量監(jiān)測計(jì)功能。

一系列電量計(jì) IC 可供多種應(yīng)用使用。這些 IC 包括單節(jié)電池、多達(dá) 13 節(jié)串聯(lián)電池的多節(jié)電池、系統(tǒng)側(cè)電量計(jì)以及帶和不帶內(nèi)置初級(jí)保護(hù)的儀表。GaugeIC 可從許多大型半導(dǎo)體供應(yīng)商處獲得，包括 Atmel、Intersil、Maxim Integrated Products、O 2 Micro 和德州儀器[Ref. 1-5]。

單電池量規(guī)通常具有較小的 PCB（印刷電路板）占位面積，適用于緊湊的電路布局情況。這些微型電池計(jì)量器適用于只有一個(gè)電池串聯(lián)的電池，或電池術(shù)語中的 1S（單串）電池。電池可以根據(jù)需要具有盡可能多的并聯(lián)電池，例如 1S1P（單串/單串）、1S2P（單串） /兩個(gè)并行），1S3P（一個(gè)串行/三個(gè)并行），等等。

這些儀表的示例包括 TI bq275xx、O 2 Micro OZ8805 和 MaximDS278x 系列。雖然一些單節(jié)電量計(jì)具有內(nèi)置保護(hù)邏輯，但大多數(shù)都需要使用單獨(dú)的保護(hù) IC（例如 SeikoInstruments S-8211 或 S-8241 [6]。超便攜式設(shè)備中的低核心電壓以及高電壓和能量密度鋰離子電池組合產(chǎn)生有效的便攜式電源系統(tǒng)。

凌力爾特公司的 LTC2941 和 LTC2942 單電池電量計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)庫侖計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器通過一個(gè)快速模擬積分器來集成流入和流出電池陣列的電流[7]。這種技術(shù)可以允許精確跟蹤脈沖負(fù)載電流，這對(duì)樣本數(shù)據(jù)系統(tǒng)庫侖計(jì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

對(duì)于 2 至 4S（2 至 4 節(jié)串聯(lián)）多節(jié)電池的儀表 IC，存在多種選擇。它們包括 TI 20zxx 系列和 O 2 Micro OZ9310。3 或 4S（三個(gè)或四個(gè)串行）電池配置在便攜式設(shè)備中很受歡迎，因?yàn)槟梢允褂煤唵蔚呢?fù)載點(diǎn)降壓線性穩(wěn)壓器從 3 或 4S 鋰離子電池提供的最低電壓中獲得大多數(shù)復(fù)雜便攜式電子設(shè)備的核心電壓——大約 9V 3S 電池，4S 電池約 12V。

一旦電池中的串聯(lián)電池配置超過 4S，電量計(jì) IC 的選擇就會(huì)受到限制。相對(duì)較新的 TI bq78PL114 和幾個(gè) O 2 Micro 產(chǎn)品可以處理高容量電池。

一些儀表支持使用外部擴(kuò)展 IC 的高 S 數(shù)電池。高 S 數(shù)電池用于電動(dòng)汽車和其他高能電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，需要高電池電壓以避免電機(jī)控制電路中的電流過大，數(shù)百伏的電池很常見。其中許多應(yīng)用程序使用完全定制的基于微型計(jì)算機(jī)的電池管理系統(tǒng)電路來處理高度復(fù)雜的管理和保護(hù)任務(wù)。圖 1顯示了典型的 4S4P（四串/四并聯(lián)）電池。

安全第一

電池安全必須是設(shè)計(jì)的首要考慮因素。始終為所有鋰離子電池設(shè)計(jì)多層過壓、欠壓、過流和過溫保護(hù)，無論多小。這種保護(hù)應(yīng)包括與電池串聯(lián)的用于過流條件的 PTC（正溫度系數(shù)）裝置和用于過熱條件的 TCO（熱截止）裝置。您還應(yīng)該使用有源二級(jí)和初級(jí)保護(hù)電路。電量計(jì) IC 可以提供初級(jí)保護(hù)，但僅提供保護(hù)是不夠的。通常需要打開電子控制保險(xiǎn)絲的二級(jí)主動(dòng)保護(hù)，例如索尼化學(xué)自控保護(hù)器[8]。

仔細(xì)分析保護(hù)電路單元陣列側(cè)的所有電路元件。至關(guān)重要的是，沒有單個(gè)組件故障會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)電池發(fā)生短路。例如，如果需要一個(gè)電容器來繞過 EM（電磁）噪聲，則應(yīng)使用兩個(gè)串聯(lián)電容器，以盡量減少組件故障導(dǎo)致電池短路的可能性。

現(xiàn)代鋰離子電池可以長時(shí)間提供大電流，如果組件故障使電池短路，則會(huì)在 PCB 上引起“高能事件”。不要依賴電池的嵌入式過流保護(hù)來提供這種保護(hù)。有些電池缺少這樣的元件；在其他情況下，電流跳變點(diǎn)非常高，可能會(huì)在電池打開之前損壞 PCB。這種考慮對(duì)于高并聯(lián)電池?cái)?shù)的電池尤其重要，其中每個(gè)電池的最大電流可以增加一個(gè)較大的最大電池電流。

將電池陣列組裝到電池保護(hù)電子設(shè)備時(shí)，請(qǐng)勿產(chǎn)生電弧。這種電弧會(huì)產(chǎn)生高壓瞬變，從而損壞電量計(jì)和保護(hù)電路元件。這種損壞可能使設(shè)備在工廠測試期間正常工作，然后在現(xiàn)場使用中失敗。保護(hù)電路可能并不總是失效保護(hù)的，因此當(dāng)實(shí)際故障發(fā)生時(shí)可能導(dǎo)致保護(hù)電路失效。出于這個(gè)原因，您應(yīng)該在電池中設(shè)計(jì)多層保護(hù)。

主機(jī)和電池

大多數(shù)電量計(jì)支持雙線 SMbus（系統(tǒng)管理總線），例如 I 2 C（內(nèi)部集成電路），或用于與主機(jī)設(shè)備通信的單線 HDQ（高速 DQ）接口，可以是便攜式設(shè)備或充電器。幾個(gè)Maxim 儀表IC 支持專有的Maxim 1-Wire 接口。您可以在制造過程中使用此接口對(duì) GaugeIC 進(jìn)行編程，并與便攜式主機(jī)設(shè)備和充電器通信許多參數(shù)。

大多數(shù)支持 SMbus 通信的儀表也支持 SBS（智能電池系統(tǒng)）[9] 。這些數(shù)字通信接口的低信號(hào)基準(zhǔn)承載電池的返回電流。注意電量計(jì)基準(zhǔn)到信號(hào)地和主機(jī)之間的電壓降在高電池電流時(shí)系統(tǒng)接地不會(huì)過大。

在高電池電流情況下，數(shù)字信號(hào)可能無法在電量計(jì)或主機(jī)系統(tǒng)上達(dá)到有效低電平。這種無法實(shí)現(xiàn)的原因可能是電池到主機(jī)系統(tǒng)的接觸電阻、導(dǎo)線電阻、分流電阻，甚至是 PCB 走線電阻。注意脈沖電流情況，例如電池連接期間的浪涌電流、主機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)電流或高充電器電流。這些情況可能會(huì)由于信號(hào)接地提升而導(dǎo)致通信中斷。

電池平衡

制造商建議在電量計(jì)或保護(hù) IC 中對(duì) 3 和 4S 鋰離子電池進(jìn)行電池平衡，并要求對(duì) 5S 和更大的電池進(jìn)行電池平衡，并且許多電量計(jì) IC 都內(nèi)置了此功能。電池平衡是必要的，因?yàn)閱蝹€(gè)電池的容量可能會(huì)有所不同當(dāng)電池通過充電和放電循環(huán)時(shí)。如果電池經(jīng)常深度放電，這種情況尤其如此。

最簡單的電池平衡方法，即被動(dòng)平衡，將電流分流到串聯(lián)電池組中每個(gè)完全充電的電池周圍，直到電池組中的所有電池具有相同的容量。跟蹤電池組中每個(gè)電池的相對(duì)容量的電量計(jì)在每個(gè)充電周期執(zhí)行此任務(wù)。凌力爾特 LTC6802-1 是一款實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的電池監(jiān)測 IC。

TI 的 bq78PL114 和一些 O 2 Microproducts 實(shí)現(xiàn)了一種更復(fù)雜的電池平衡技術(shù)，即主動(dòng)平衡。這種方法控制每個(gè)電池的小型開關(guān)電源。這些電路將電流泵入電池以使其與電池組中的其他電池保持平衡。這種方法的控制和電路設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，但它優(yōu)化了充電器能量并最大限度地縮短了充電時(shí)間。

連接儀表

高 S 和 P 數(shù)電池的電池陣列或核心組可能很復(fù)雜。為確保電量計(jì)保持準(zhǔn)確的可用容量測量，您必須小心地將儀表電壓和電流感應(yīng)連接到核心包。此外，許多電量計(jì)在制造過程中需要先連接順序——通常是從最低電壓到最高電壓——以防止損壞 IC。

設(shè)計(jì)電池時(shí)，請(qǐng)確保在儀表 IC 和核心組之間的電壓檢測連接中流動(dòng)的電流很小。此要求通常要求在電池的正極連接和儀表 IC 之間使用單獨(dú)的感應(yīng)線或開爾文連接。此外，請(qǐng)務(wù)必遵循您使用的儀表 IC 的布局指南，尤其是在電流分流器和儀表 IC 之間。

容量估計(jì)

為了保持準(zhǔn)確，庫侖計(jì)數(shù)需要已知容量起點(diǎn)和精確的電流測量值。當(dāng)電池充滿電時(shí)，大多數(shù)電量計(jì)會(huì)將其容量估計(jì)重置為電池陣列的實(shí)際容量或化學(xué)容量。

但是，化學(xué)容量會(huì)隨著電池老化而變化，因此電池必須支持某種容量更新方法。您可以通過將電池從完全充電持續(xù)放電到低“訓(xùn)練”電壓來更新電池的化學(xué)容量。這種稱為調(diào)節(jié)電池的方法不方便大多數(shù)電池用戶，因?yàn)樗赡苄枰獛讉€(gè)小時(shí)并且通常是手動(dòng)過程。您可以使用調(diào)節(jié)充電器，但控制和放電電路會(huì)增加充電器的成本。

幾年前，TI 開發(fā)了阻抗跟蹤算法，該算法使用電池阻抗變化模型來更新電池正常使用期間的化學(xué)容量。該公司已對(duì)該算法進(jìn)行了多次改進(jìn)，適用于許多電池使用模型。

ImpedanceTrack 算法的正確操作要求在電池充電或放電期間，出現(xiàn)兩個(gè)“松弛”點(diǎn)，即電池電流較低且電池電壓處于放電曲線的平坦部分——即既不在完全充電時(shí)也不接近完全放電時(shí)。您必須將這兩個(gè)松弛點(diǎn)間隔超過大約 40% 的電池容量。

例如，如果您為筆記本電腦的電池充滿電，請(qǐng)?jiān)陔姵厣鲜褂糜?jì)算機(jī)一段時(shí)間，合上蓋子一段時(shí)間，再使用一段時(shí)間，然后再次合上蓋子。阻抗跟蹤算法將可能擁有更新化學(xué)容量所需的信息。

某些電池使用模式不允許阻抗跟蹤算法正常運(yùn)行。其中一種模式是備用電池使用模式，其中電池幾乎總是保持 100% 充電，很少進(jìn)行淺放電，并在放電后立即充電。TI 在其網(wǎng)站上提供了一些關(guān)于如何使算法適應(yīng)這種使用模型的白皮書，但這是一個(gè)復(fù)雜的過程。

Maxim 開發(fā)了 ModelGauge 算法，該算法使用精心設(shè)計(jì)的電池類型電壓-溫度-容量特性模型，在正常電池使用期間更新電池的化學(xué)容量。Maxim 正在與一小組電池集成商合作開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的首次應(yīng)用。

O 2 Micro 使用高分辨率電池電壓測量和電壓與容量的模型來估計(jì)電池容量。高容量鋰離子電池的平坦電壓-容量特性限制了這種技術(shù)，特別是在極其平坦的 LiFe（鋰鐵）PO4 電池中，其中 1 mV 的電壓變化可能等于 1% 的充電狀態(tài)變化。由于這個(gè)限制，電量計(jì) IC 公司正在努力改進(jìn)電壓測量能力。

運(yùn)行時(shí)間估計(jì)

估計(jì)剩余的便攜式設(shè)備運(yùn)行時(shí)間是電池使用中最復(fù)雜和最容易出錯(cuò)的方面之一。儀表必須知道從電池中獲取多少電量以及電池陣列的真實(shí)化學(xué)容量才能報(bào)告剩余運(yùn)行時(shí)間。

便攜式設(shè)備從電池中獲取的電量可能不一致或無法預(yù)測。對(duì)于需要維護(hù)準(zhǔn)確估計(jì)剩余容量的便攜式設(shè)備，您應(yīng)該設(shè)置備用容量。當(dāng)您將服務(wù)容量值編程到電量計(jì)中時(shí)，它會(huì)將報(bào)告的容量抵消該數(shù)量。

因此，電量計(jì)報(bào)告的剩余電量總是低于電池陣列的實(shí)際可用電量。由于電量計(jì)的電量不足指示，該技術(shù)允許便攜式設(shè)備在斷電前安全地完成它們正在執(zhí)行的任何事務(wù)。這種方法類似于在飛機(jī)上有一個(gè)備用油箱，在主油箱空時(shí)提供足夠的容量著陸。

系統(tǒng)、電池儀表

系統(tǒng)端儀表位于便攜式主機(jī)中，并且必須在連接時(shí)適應(yīng)每個(gè)電池。電池側(cè)量規(guī)駐留在電池中，并在電池移動(dòng)時(shí)攜帶電池特性。系統(tǒng)端儀表在電池通常留在主機(jī)上的應(yīng)用中更有用，例如筆記本電腦、PDA（個(gè)人數(shù)字助理）和手機(jī)。

如果您更換帶有系統(tǒng)端電量計(jì)的設(shè)備中的電池，該電量計(jì)將報(bào)告錯(cuò)誤信息，直到您重新校準(zhǔn)為止。電池側(cè)儀表在將電池從便攜式設(shè)備中取出以進(jìn)行充電或在便攜式主機(jī)設(shè)備之間移動(dòng)的應(yīng)用中工作得更好。

系統(tǒng)端儀表必須支持在正常電池使用期間運(yùn)行的容量估計(jì)更新算法。否則，除非您運(yùn)行調(diào)節(jié)循環(huán)，否則儀表不會(huì)知道電池的化學(xué)容量。便攜式主機(jī)集成了系統(tǒng)側(cè)儀表，最大限度地降低了電池電子成本，并消除了通信接口對(duì)電池觸點(diǎn)的需求。

電池側(cè)電量計(jì)集成了模擬熱敏電阻輸入，以便從電池附近獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。系統(tǒng)側(cè)電量計(jì)的另一個(gè)問題是熱敏電阻和熱敏電阻輸入之間的距離更大。因此，熱敏電阻在系統(tǒng)側(cè)氣表上的讀數(shù)可能不準(zhǔn)確。

由于電池側(cè)儀表隨電池陣列一起移動(dòng)，因此它們可以隨著時(shí)間的推移改進(jìn)其化學(xué)容量估計(jì)值。它們還可以保存在調(diào)節(jié)循環(huán)期間完成的容量測量。然而，電池必須有一個(gè)或兩個(gè)額外的觸點(diǎn)來支持電池到主機(jī)的通信接口。

充電器和電量計(jì)

電池充電器可以是簡單的交流供電設(shè)備，例如手機(jī)充電器，也可以是復(fù)雜的帶有顯示器和與電池通信的多槽設(shè)備，例如用戶可能用來為一組便攜式軍用收音機(jī)充電的設(shè)備。充電器通常有兩種形式：智能充電器在充電期間與電池中的電量計(jì)交互，而啞充電器僅使用電池端電壓和內(nèi)部測量的電流來控制充電周期。

隨著充電的進(jìn)行，鋰離子電池充電器會(huì)在電池上保持特定的電流和電壓曲線。在充電周期的初始部分，當(dāng)電池電壓低于浮動(dòng)電壓（即低于電池類型和串聯(lián)排列的最大值）時(shí)，充電器提供 CCM（恒流模式）并允許電池電壓逐漸增加。

一旦充電器達(dá)到浮動(dòng)電壓，充電器將保持 CVM（恒壓模式）并允許電流逐漸減小，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的最小值，此時(shí)充電終止。與鉛或鎳鎘電池不同，您不能對(duì)鋰離子電池進(jìn)行涓流充電——也就是說，一旦電池達(dá)到完全充電，您必須關(guān)閉充電電流。涓流充電會(huì)損壞鋰離子電池。

與電池電量計(jì)交互的充電器具有一些優(yōu)勢。電量計(jì)測量電池陣列上的真實(shí)電壓，并將該電壓報(bào)告給充電器。充電器只能在電池連接器處測量電壓，由于接觸電阻、導(dǎo)線電阻和分流電阻，該電壓通常高于電池陣列的電壓。如果充電器可以控制電量計(jì)測量的電池陣列電壓，則可以更長時(shí)間地保持 CCM，減少充電時(shí)間。此外，與電量計(jì)通信的充電器可以使用電量計(jì)的精確電流測量能力，從而允許在充電器中使用成本較低的電路。

圖 2 顯示了為單節(jié)鋰離子電池充電的典型電壓和電流曲線。在這種情況下，電池電壓是在充電器內(nèi)部測量的，電池電壓值來自電量計(jì)。注意保持 CCM 直到電池電壓達(dá)到 4.2V 浮動(dòng)電壓的優(yōu)點(diǎn)。

電磁噪聲

由于電池管理系統(tǒng)包含高阻抗測量電路，因此它們?nèi)菀资艿?EM 噪聲拾取的影響。電池供電的便攜式系統(tǒng)，例如電動(dòng)汽車中的無線電發(fā)射器和電機(jī)，它們自身會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，或者它們可以在電磁噪聲源附近運(yùn)行。電池周圍的金屬罐和電池的互連帶構(gòu)成了用于高頻噪聲的高效天線。

單元陣列中的噪聲拾取可能會(huì)在包含 ADC 和信號(hào)調(diào)理組件的電量計(jì)電壓和電流測量系統(tǒng)中引起讀取噪聲。Gas-gaugeIC 使用模擬和數(shù)字噪聲濾波器來減少這種 EM 噪聲引起的問題，但在嘈雜的環(huán)境中它仍然可能是一個(gè)問題。EM 噪聲尖峰可能導(dǎo)致初級(jí)和次級(jí)電池保護(hù)電路中的雜散保護(hù)跳閘。這些脫扣可能會(huì)造成麻煩，或者在二級(jí)保護(hù)脫扣的情況下，可能會(huì)禁用電池。

電池設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)電子產(chǎn)品時(shí)應(yīng)遵循良好的 EM 降噪技術(shù)。仔細(xì)的 PCB 走線和 PCB 中接地平面區(qū)域的廣泛使用是必不可少的。小心地繞過電量計(jì)和相關(guān) IC 的配電，因?yàn)樗鼈冎苯訌碾姵亟邮针娏Αｋ娏坑?jì) IC 和電流測量分流器之間的正確連接至關(guān)重要；查閱供應(yīng)商文獻(xiàn)以獲得建議。

參考：

“ 8 位和 32 位、低功耗高性能MCU，”Atmel。

“電池管理：電池平衡和安全”，Intersil。

“參數(shù)搜索：電池保護(hù)器、選擇器和監(jiān)視器”，MaximIntegrated Products。

“智能電池”，O 2 Micro。

“電池電量計(jì)”，德州儀器。

“參數(shù)搜索：鋰離子電池保護(hù) IC，”Seiko Instruments Inc.

“電池管理”，凌力爾特。

“自我控制保護(hù)器”，索尼化學(xué)和信息設(shè)備公司。

“ SBS 1.1 規(guī)范：當(dāng)前”，智能電池系統(tǒng)實(shí)施者論壇。