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，實現精確測量更是難上加難。每種電池的化學特性都會產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)，許多制造商會根據特定的應用和用例來定制化電池，導致產品延遲上市，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百安培的電流) 能在安全的參數范圍內運行。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品設計中增加電池加密認證技術，以免出現安全問題。

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的數據和控制寄存器 (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生精確的充電狀態(tài)讀數 (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。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。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。數據記錄功能使用非易失性存儲器記錄電池壽命周期內的多達13個參數，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