通過充電狀態(tài)測量進行精確的電量計量

便攜式電子設備依靠電池作為唯一的電源。無論您使用智能手機、健身追蹤器、運動相機、戶外導航設備、相機還是手持收發(fā)器，我們都遇到過意想不到的低電量警告。在大多數(shù)情況下，這樣的警告信息只會帶來不便，但對于安全和應急設備來說，后果可能是可怕的。

因為我們非常依賴電池供電的電子設備，所以設備能夠準確地測量功率水平至關重要。早期的電池供電設備試圖通過電池電壓和負載電流的組合來確定電池狀態(tài)，但未能考慮電池的充電狀態(tài)。該設備的電路保護功能通常包括欠壓切斷功能，該功能可能被過早調(diào)用，導致意外關閉，這都是因為電池的充電狀態(tài)未確定。

該博客探討了如何在電池供電設計中準確測量電池的充電狀態(tài)。

電量計電池的充電狀態(tài)

由于電池材料、它們的化學性質(zhì)和環(huán)境溫度引入的變量，通過測量電池電壓來進行電量計量是不可靠的。此外，電池阻抗會隨著充電狀態(tài)和電池使用年限而變化，從而使精確測量變得更加復雜。每種電池類型的化學成分都會產(chǎn)生獨特的放電特征，其中一些比其他電池更適合基于電壓的充電狀態(tài)。一些電壓和負載電流放電曲線非常淺，使得電壓電量計只能指示 100% 或平坦。

電池充電和放電電流的測量稱為庫侖計數(shù)，是另一種估算充電狀態(tài)的方法?？紤]到電池壽命和自放電特性，庫侖計數(shù)法效果很好。

充電狀態(tài)對安全和消費者體驗的重要性

隨著越來越精通技術的消費者群體，以高精度確定和顯示電池的充電狀態(tài)是當今任何手持消費電子設備成功的關鍵因素。為了實現(xiàn)真正準確的電池充電狀態(tài)預測方法，許多制造商針對特定應用和用例場景對每個電池進行了表征。這會導致上市時間延遲，如果不在內(nèi)部執(zhí)行，則需要運送給第三方供應商。然而，一些電池，例如鋰離子電池，在運輸方面受到越來越多的監(jiān)管。該規(guī)定不僅包括處理電池的后勤性質(zhì)，還包括運輸時電池所含的電量。

除了涉及電池運輸?shù)牧⒎ㄖ猓谌粘Ｊ褂煤痛鎯ζ陂g將相對不穩(wěn)定的電池（許多能夠提供數(shù)百安培電流）保持在安全運行參數(shù)范圍內(nèi)，還需要將進一步的監(jiān)控電子設備納入設計中。售后市場電池供應商為節(jié)省成本而不注意電池安全所構(gòu)成的威脅，導致設備制造商將加密電池認證技術添加到他們的電池和最終產(chǎn)品設計中。

衡量充電狀態(tài)的挑戰(zhàn)

如上所述，要準確測量電池的充電狀態(tài)并將其顯示在電量計上，不僅需要考慮工作功耗，還需要考慮待機時的功耗。在運輸和倉儲過程中，當設備放在櫥柜或“盒子里”時消耗的靜態(tài)電流也需要考慮。電量計本身自然會消耗能量，因此在計算電池可以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操作設備時，需要將這一因素考慮在內(nèi)。作為消費者，我們喜歡開箱即用，而不是在使用前先充電。要開箱即用地保持準確的電量計指示，需要相關電路始終處于開啟狀態(tài)。在消費者打開盒子并打開產(chǎn)品之前關閉電量計意味著充電狀態(tài)指示可能不準確。請注意，為了運輸和倉儲期間的安全，如果溫度過高或組件故障導致出現(xiàn)短路情況，則應保持電池保護功能（溫度、電流和電壓監(jiān)控）處于啟用狀態(tài)。

準確的充電狀態(tài)測量解決方案

低功耗Maxim Integrated MAX1730x系列的示例 IC 在單個 3mm x 3mm 封裝中包含電量計、保護和身份驗證功能。MAX17301 適用于測量鋰離子或鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，當輸出 FET 處于活動狀態(tài)時，MAX17301 具有極低的靜態(tài)電流 24μA，在活動休眠期間低至 18μA。通過禁用負載 FET，電流可降至 0.1μA。該 IC 提供全面的電池健康和安全保護功能，包括過電壓（取決于溫度）、過充電電流、電池欠溫/過溫、欠壓和過放電/短路。MAX1730x 的其他特性包括單線和 I 2C 外設接口，用于與主機微控制器通信，以便它可以讀取 MAX1730x 的數(shù)據(jù)和控制寄存器（圖 1）。

圖 1：Maxim Integrated MAX1730x 的功能框圖。（來源：美信集成）

健康狀態(tài)和保護要求由電池電壓、電流和溫度決定。電池的充電狀態(tài)使用 Maxim 的 ModelGauge m5 算法計算得出。該算法將電池開路電壓測量的長期穩(wěn)定性與庫侖計數(shù)的線性和準確性結(jié)合起來。溫度補償算法的額外輸入會產(chǎn)生準確的充電狀態(tài)讀數(shù)（圖 2）。該算法計算電池的開路電壓，即使它正在提供負載。

圖 2：Maxim MAX1730x 使用 ModelGauge m5 算法計算校正后的充電狀態(tài)。（來源：美信集成）

MAX1730x 通過電池老化特性和放電率補償電量計值。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)。該算法還提供充滿電時間和壽命預測功能，以預測電池何時可能因老化和使用而開始失去容量。數(shù)據(jù)記錄功能使用非易失性存儲器在電池壽命期間記錄多達 13 個參數(shù)，包括自第一次上電以來的時間。圖 3說明了 ModelGauge m5 算法的操作。

圖 3：流程圖詳細說明了 Maxim Integrated ModelGauge m5 算法操作。（來源：美信集成）

結(jié)論

能夠在電量計中準確地顯示電池的充電狀態(tài)，而無需耗時的電池表征對于任何產(chǎn)品的成功至關重要。Maxim 的 MAX1730x ModelGauge m5 基于算法的電量計 IC 不僅使這成為可能，而且還通過集成保護和驗證功能節(jié)省了寶貴的電路板空間和材料清單 (BOM)。

Robert Huntley 是一位獲得 HND 資格的工程師和技術作家。憑借他在電信、導航系統(tǒng)和嵌入式應用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰寫了各種技術和實用文章。

審核編輯黃宇