第二章傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法

目標(biāo)：充分利用可用的電池容量

電池電量監(jiān)測的主要目的是為了最大程度的利用電池里面的容量，通常來講，電池里面的容量我們一般很難做得100%利用的，為什么呢？

這里存在2個因數(shù)，第1，在充電的時候，充電電壓很難正好是電池的滿充電壓，通常我們?yōu)榱朔乐闺姵爻霈F(xiàn)過沖狀態(tài)，這個充電電壓誤差是往下偏的，也就是說的電池，充電電壓有可能是或，這樣，如果在這個低充電電壓下進行充電，充進去的容量可能就會變?。涣硗?，由于電池電量監(jiān)測的不準(zhǔn)確性，用戶為了安全，防止突然關(guān)鍵造成數(shù)據(jù)丟失，可能電量估計得會比較保守，也就是說電池真正的電量還沒到0%的時候，他就提前報成0%，讓系統(tǒng)提前關(guān)機，這樣至少可以避免用戶的數(shù)據(jù)丟失，當(dāng)然用戶體驗上感覺電池的容量變小了，這是一個缺點，這樣做的后果也是導(dǎo)致電池的容量不能充分的發(fā)揮出來，電池電量監(jiān)測技術(shù)是為了最大程度的提高對電池電量的監(jiān)測，讓用戶能夠最大程度的使用當(dāng)前電池里面的容量，這個藍色的這段實際上指的就是電池的有效容量，我們這個技術(shù)就是為了把實際的有效容量盡量的往上或者往下擴展。

2.2 傳統(tǒng)的電池包側(cè)電量監(jiān)測計

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這是面向單節(jié)電池便攜式應(yīng)用的傳統(tǒng)電池包方框圖。電量監(jiān)測計位于電池包側(cè)，以連續(xù)監(jiān)測電池工作情況并通過I2C或單線協(xié)議將剩余容量或運行時間信息提供給主機。然而，當(dāng)電池循環(huán)壽命終止時，即使電量監(jiān)測計仍然處于良好狀態(tài)我們也不得不扔掉電池包。我們被迫購買另一個帶電量監(jiān)測計的電池包，從而增加了最終用戶的成本。我們能否將電量監(jiān)測計置于主機側(cè)以盡量降低成本呢？

傳統(tǒng)的電池包電量監(jiān)測技術(shù)是這樣一個框架結(jié)構(gòu)的，電量監(jiān)測的芯片一般來講是放在電池包里面的。還有就是控制MOS管的保護器，這個保護器是在電池過充或者過放的時候動作切換MOS對電池芯進行保護，一般電池包里面還會放一個熱敏電阻，用來監(jiān)測電池包的溫度，那么除了左邊指的是手機或者平板電腦的系統(tǒng)板，在這塊系統(tǒng)板上跟電量計發(fā)生關(guān)系的主要是電源管理芯片和主機的處理器，主機的處理器通常是通過I2C或者單線的HDQ總線來讀取電量計里面的電量信息的。

在這個電量信息得知的情況下，來決定現(xiàn)在有多少時間到電池完全放完，有些用戶要做某些事情的時候可以提示用戶現(xiàn)在電量是否足夠，這是一個傳統(tǒng)的解決方案，就是說把電量計放在電池包里面的解決方案，TI在這方面主要的器件有BQ27541、BQ27545這2顆主要的芯片；BQ27441，這是比較低成本的方案；我們還有BQ27741，這把電量計和保護器做到一起的一個方案；BQ28z560，這個也是包電量計和保護器做到一起的一個方案。

系統(tǒng)側(cè)阻抗跟蹤電量監(jiān)測計

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在這幅示意圖中，電量監(jiān)測計位于主機側(cè)以盡量降低電池包成本。這樣，當(dāng)電池包使用壽命結(jié)束時，我們就不必購買電池包中的另一套電子組件。

隨著技術(shù)的進步，或者說TI的阻抗跟蹤技術(shù)的推出，現(xiàn)在出現(xiàn)了這樣一種運用，把電量監(jiān)測計放在設(shè)備的主板一側(cè)，電池這一側(cè)就只有一個保護器和MOS管，還有熱敏電阻，當(dāng)然還有1個電芯在里面，這樣的話有什么好處呢？電池包的成本就大大的降低了，電池包的供應(yīng)商也比較好找了，因為他把電量計從電池包里面搬到了主機側(cè)，所以這樣的方案現(xiàn)在都是可行的，TI同時提供對這2種方案的支持。還有BQ28z550，這個方案是把電量計放在便攜設(shè)備的系統(tǒng)板上，這樣電池包里面就不需要放電量計了，這樣就可以降低電池包的成本，使得供應(yīng)商更容易找到，這種TI的電量計主要有BQ27510、BQ27520，BQ27441也是可以用在這個場合的，還有BQ27425、BQ27421……等等芯片。

電量監(jiān)測計有哪些功能？

?電池與用戶之間的通信

?測量：

–電池電壓

–充電或放電電流

–溫度

?提供：

–電池運行時間和剩余容量

–電池健康狀況信息

–總體電池電源管理（工作模式）

電量監(jiān)測計的主要功能是哪些呢？電量監(jiān)測計首先要完成系統(tǒng)和電池之間的通訊，系統(tǒng)要知道電池有多少電量，需要跟電量計之間的總線通訊，剛才說了I2C和單線的HDQ總線通訊來得到，在通訊的過程當(dāng)中，系統(tǒng)主要可以得到哪些信息呢？第1個是實測的模擬量信息，比如說電池的電壓、電池的充放電電流，還有電池的溫度。這些基本的模擬量信息作為一個電量計來講，它更重要的還要提供電池的容量信息，也就是剛才所說到的電池的剩余容量、電池的運行時間，還有電池的健康狀況的信息，還有一個就是這個芯片本身要能夠完成工作狀況的轉(zhuǎn)變，也就是說它要從正常工作模式，轉(zhuǎn)到低功耗模式，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，達到一個什么目的呢？達到一個節(jié)省電量的目的。

如何實現(xiàn)電量監(jiān)測計

怎么實現(xiàn)電量監(jiān)測呢？

第一種方法就是基于電壓的電量監(jiān)測，電量百分比或容量百分比它把他看成是電池電壓的一個函數(shù)，這是從經(jīng)驗上到得到的一個公式，當(dāng)然這種函數(shù)本身的表達式不一定要得到，它只要得到一個開路電壓和容量百分比對應(yīng)的表格就行了，這個表格各個點之間的數(shù)據(jù)可以用差補的方法得到。

還有一個方法就是庫侖計數(shù)，庫侖計數(shù)是對充進電池或者電池里面放出的電流進行積分所得到的一個能量。我們可以把電池看成我們汽車的油箱，這個油箱充進多少油，放出多少油，就可以算出里面剩多少油，這也是一種比較直觀的根據(jù)生活經(jīng)驗得到的一種算法。

現(xiàn)在最新的算法是阻抗跟蹤算法，這個算法其實它是依據(jù)實時的對電池的內(nèi)阻測量來得到電池的容量，它的公式就是圖中這個公式，剛才已經(jīng)列舉過，也就是電池的端電壓V等于電池的開路電壓減去電流乘以電池的內(nèi)阻，這個電流是指電池流進或者流出的一個總電流。

基于電壓的電量監(jiān)測計

下面先介紹一下基于電壓的電量監(jiān)測計，這張圖是一個電池的開路電壓曲線，這個方法的基本思路是對不同電壓我們用不同的格數(shù)來表示電池的容量，比如說在的時候用4格來表示，這是滿格的電池；的時候我可能用3格來表示電池的容量，用2格；可能就用1格來表示電池的容量，就是說用不同的格數(shù)來對應(yīng)不同的電池電壓，來表示電池的容量，這種方法精度比較差，通常用在低端得最早期出現(xiàn)的那些蜂窩電話，或者早期出現(xiàn)的數(shù)碼相機里面。這種方法會有一個什么問題呢？

就是說在電流波動的時候這個會上下跳變，比如說我有一個放電電流的情況下，或者電流比較大的情況下，在放電的過程當(dāng)中大家可以看在紅顏色的這個箭頭地方，如果電流在這一點突然減小，或者說我突然變成0了，這個電壓很顯然的就會往抬，電壓一般抬到這一點的話，它的格數(shù)就會變成2格，再往下的時候這變化就會更明顯，再往下的時候電池格數(shù)可能接近0格或者用紅顏色來表示這個電池的格數(shù)，這個時候的跳變就會由紅顏色變成2格，這個時候就會來回跳，如果電流變化的情況下，比如說，他剛才打電話打到這里停掉了，電池就剩2格，他以為還有電，然后突然又來一個電話，一下就變成0了，所以這種表示誤差會比較大，因為大家看到這里實際上是用4格來表示電池容量的，因為1格就對應(yīng)了25%的容量，所以跳一格就有25%的容量差，跳2格就有50%的容量差，所以這種方法誤差比較大。誤差比較大的原因就是因為電池存在內(nèi)阻，在電流比較大的情況下，它的格數(shù)跳變會比較多。

電池電阻

這個是電池開路電壓和端電壓的一個公式，剛才已經(jīng)講過電池的內(nèi)阻是溫度、電荷狀態(tài)和電池老化程度的一個函數(shù)；電池內(nèi)阻在100次充放電之后會增加一倍；同一批電池的阻抗偏差可能會在10~15%；不同電池制造商或者質(zhì)量比較差的制造商內(nèi)阻偏差會更大。

阻抗與溫度和DOD有關(guān)

這里對容量計算影響最大的或者最難得到的一個信息就是I*Rbat，當(dāng)然I是比較容易得到的，只要測定流進流出的電流就可以了，以現(xiàn)在的技術(shù)這個可以測到±1mA的精度。那么這個Rbat相對來講就比較難一點測定，因為它是要根據(jù)2個量計算得到的。

上圖主要是阻抗與溫度和容量百分比的關(guān)系，這個關(guān)系剛才已經(jīng)講過了，基本上阻抗是隨溫度的降低而增加，隨著容量百分比的減少而增加，是這樣一個概念。

新電池的阻抗差異

這個是阻抗的偏差，這個是一個什么樣的概念呢？就是說我們通常來講，使用的阻抗對電量計量影響比較大的哪個阻抗指的是在低頻狀態(tài)下的阻抗，是在1mHZ下的阻抗，實際上就是直流阻抗，而不是通常我們用市場上看到的內(nèi)阻測試儀測到的阻抗，那個阻抗是在1KHZ下測到的電池內(nèi)阻，那個內(nèi)阻通常來講看上去比較小。上面是已經(jīng)介紹過的對容量計算精確度的影響的3個因數(shù)，是溫度、容量百分比和老化程度，這些會給容量的計算造成影響，這個影響是指用電壓來監(jiān)測電量的方法的影響。除了這些因數(shù)的影響，如果用的是電壓監(jiān)測的方法，那么還有一個影響也是不可忽略的，而且這個影響也比較難處理，這是很多電量管理的工程師頭痛的一個問題，就是電池有因為瞬態(tài)響應(yīng)的問題。

電池-瞬態(tài)響應(yīng)

大家從這2張圖可以看一下，電池在比較滿充的情況下放電，前面這條曲線是表示一個放電的過程，放到這個時候電壓比較低了，然后負載移除，這個時候電池的電壓并不是立刻回到電流為0的時候，因為大家想到負載移除電流就變0了，這個時候的電壓有沒有回到電流為0的電壓呢？沒有。它是慢慢的回上去的，它花了很長時間才回上去，大家看到這條曲線。大家平時的經(jīng)驗也可以證明這一點，就是說平時一個電池放電之后，然后你把負載拿掉，它的電壓是在不斷的變化的，那么這個電壓變化穩(wěn)定的過程要多長時間呢，大家看到這這一點大概是1600秒，基本上要穩(wěn)定下來是到3500秒，大概有2000秒左右的時間，才能穩(wěn)定下來，這個是電壓在到左右進行的放電，也就是說電池這個時候還沒有飽。根據(jù)剛才介紹的在電池比較飽的情況下，也就是在電池容量百分比比大的情況下，電池的內(nèi)阻這個時候是比較小的，電池內(nèi)阻比較小的情況下它恢復(fù)的還算快的。下面這張圖大家可以看到這邊的電壓是比較低了，從左右開始放電，放了一段時間后，這個時間也很短，因為鋰電池電壓比較低的情況下，稍微放一會電，接近到系統(tǒng)最低能夠接受的電壓，這個時候如果停止放電，這個電壓需要多長時間回上去呢，基本上要更長的時間，比如3000秒以上的時間才能夠把電壓穩(wěn)定下來，所以在這段時間之內(nèi)，它的電壓是不夠穩(wěn)定的，但是沒有負載，電流是一直是0，這個時候你去讀電壓，電壓是一直變化的，對應(yīng)的容量百分比到底是多少呢？這個時候就會產(chǎn)生誤差。

電壓弛豫和電荷狀態(tài)誤差

大家可以看到在20至3000秒之間電壓的差異可以超過20mV,那么20mV這個電壓值在計算容量的時候，它已經(jīng)可以造成很大的容量偏差了，尤其在電壓放電的平坦區(qū)這個階段，它可以造成很大的容量偏差，所以電池的瞬態(tài)響應(yīng)會對用電壓來監(jiān)測的計量方法造成比較大的誤差。在這條曲線當(dāng)中，這條曲線是把電池的放電曲線倒過來了，這個縱坐標(biāo)變成了容量百分比，橫坐標(biāo)是電池的電壓，這張圖表示的什么意思呢？就是說在這個階段其實是電池處于中間階段，如果把這個平臺拉長一點，你就可以看到在這段的時候電壓變化是比較緩慢的，容量變化就是比較大，也就是說在這段你是用電壓來監(jiān)測容量的，那么這個電壓稍微有一點點誤差就會造成容量上面很大的誤差。右邊這張圖指的是在不同的電壓下面對應(yīng)容量的誤差，大家可以看到，在電壓的中間點，也就是放電曲線的電壓平坦，也就是到左右，這段時間對應(yīng)的誤差是最大的，這段時間對應(yīng)的誤差可以到15%，這就是電壓方法來計算容量造成的誤差。所以基于電壓監(jiān)測計量的誤差主要是有這幾方面造成的，1個是弛豫誤差，就是剛上說的電池在負載移除之后電壓的恢復(fù)時間，這里的一個典型值是20mV的弛豫測量誤差，實際的誤差會比這個弛豫誤差遠遠要大，大家可以在電池放空之后看一下，放空剛結(jié)束的時候到電壓穩(wěn)定下來，它們的電壓誤差其實是很大的。還有就是15%的電池間的電阻誤差，剛才說過，同一個供應(yīng)商生產(chǎn)的同一批電池如果他的工藝過程控制得比較好的情況下，這些電池的內(nèi)阻偏差可能會有15%，這還是比較好的情況，那如果不同的供應(yīng)商，或者供應(yīng)商過程控制比較差的情況下，這個電池間的電阻誤差會更大。在左邊這張圖上我們就可以看到紅色的指的是由于電池的瞬態(tài)效應(yīng)造成的弛豫誤差，上面淺藍色的這格曲線是電池個體阻抗之間的偏差造成的誤差，這2個綜合起來總的偏差大概可以到15%左右，這個是對新電池的15%，還是在電流控制得比較好的情況下得到的一個測試結(jié)果。

基于電壓之電量監(jiān)測的SOC誤差

造成電壓補償誤差的因素有以下幾個：

–瞬態(tài)誤差

–15% 的電池間阻抗偏差

–測量誤差

對于新電池而言，總體誤差處于可接受的范圍之內(nèi)，但隨著老化很快就將超出可接受的范圍（右側(cè)圖片）

大家知道對于電池的容量計算還有一個比較大的影響因數(shù)就是電池的使用年限，在這張圖上面，在不同使用年限下測得的誤差，紅色的表示的是第1次或者第0次得到的周期得到的誤差曲線，這個曲線就是我們這張圖標(biāo)的15%左右的，最后標(biāo)在這里的就是15%，那么100次之后大家知道阻抗其實增加了1倍，剛才那張圖大家也可以看到，在100次循環(huán)之后電池的內(nèi)阻增加了1倍，按照這個規(guī)律繼續(xù)上去誤差會越來越大，阻抗的誤差對容量造成的誤差也相應(yīng)的越來越大，所以基本上在300個周期之后，在容量比較低的情況下造成的誤差就會很大，75%或者更多一點，所以基于電壓測量的電量計算技術(shù)只能夠用于那些要求不高的場合，它的誤差比較大，通常在早期的diqital camera里面的電池是用這種方法來計算它的容量的，那么對這個容量計算造成影響最大的就是電池的內(nèi)阻，造成電池內(nèi)阻變化比較大的原因就是電池制作上的工藝造成電池內(nèi)阻的偏差，另外一個就是電池使用時間的延遲造成電池的內(nèi)阻也會發(fā)生很大的變化，這些變化工程師也很難知道一個準(zhǔn)確模型的，只能根據(jù)經(jīng)驗去估計，這樣估計出來的結(jié)果和實際的結(jié)果就會有比較大的偏差。