如何預(yù)測電池容量與確保安全運(yùn)行

除了提供電力之外，用戶還希望電池能夠安全可靠地運(yùn)行，并在需要充電甚至更換時提醒他們。對于設(shè)計師來說，這提出了兩個挑戰(zhàn)第一個是可靠而準(zhǔn)確地預(yù)測電池容量。第二是確保使用可靠的電池來確保產(chǎn)品的安全運(yùn)行。

Maxim Integrated MAX172xx系列電量計為開發(fā)人員提供單芯片解決方案，以最小的工作量提供增強(qiáng)的準(zhǔn)確性和安全認(rèn)證。

電池性能因素

電池性能已經(jīng)成為各類移動產(chǎn)品的主要差異化因素，但用戶實(shí)際上只有在電池?zé)o法滿足預(yù)期時才會意識到電池。實(shí)際上，制造商仍在努力采用可靠方法準(zhǔn)確估算電池剩余電量的方法，尤其是鋰離子（Li-ion）電池組。

與早期的電池技術(shù)不同，電壓輸出鋰離子電池在其工作范圍的較寬范圍內(nèi)是平坦的，并且表現(xiàn)出明顯的溫度依賴性（圖1）。因此，當(dāng)應(yīng)用于鋰離子電池時，常規(guī)使用開路電壓（OCV）測量來預(yù)測電池充電狀態(tài)（SOC）可能遭受顯著誤差。此外，采用這種方法對電流檢測電阻的需求意味著電池會持續(xù)耗電，即使開發(fā)人員希望實(shí)施策略來延長充電之間的時間。

圖1：與任何鋰離子電池一樣，相對平坦的電壓輸出使輸出電壓與電池容量相關(guān)的嘗試變得復(fù)雜。 （圖片來源：Richtek）

另一種常見的方法是庫侖計數(shù)，仔細(xì)跟蹤電池輸入和輸出電流。在完美的世界中，這種方法可以提供非常準(zhǔn)確和可靠的電池SOC測量。然而，實(shí)際上，實(shí)際電路的非理想特性會引入誤差，導(dǎo)致SOC估計隨時間的顯著漂移。

除了努力提供更精確的SOC估計外，設(shè)備制造商多年來一直采用確保只有正宗電池與其設(shè)備一起使用的措施。未經(jīng)許可的克隆不僅顯著影響產(chǎn)品制造商的收入，而且還降低了電池供電產(chǎn)品對消費(fèi)者的操作。這些假冒電池可能不符合與目標(biāo)產(chǎn)品相關(guān)的嚴(yán)格機(jī)械和電氣要求?？寺‰姵乜赡苋狈︶槍Χ搪?，溫度監(jiān)控和整體充電管理所需的防護(hù)等級，這對鋰離子充電電池尤其重要。

此外，未能滿足嚴(yán)格供應(yīng)要求的電池可能會損壞目標(biāo)產(chǎn)品。即使產(chǎn)品內(nèi)置了電源保護(hù)機(jī)制，先進(jìn)的半導(dǎo)體器件仍然對電源電壓和電流敏感。超出規(guī)格的電池電源會對組件造成壓力，影響性能，最終導(dǎo)致生命周期縮短和故障。

單芯片解決方案

過去，電池制造商 - 操作的設(shè)備和電池組需要組合的組合以提供SOC估計并確保使用真實(shí)的電池。相比之下，Maxim Integrated MAX17201是一款單芯片解決方案，能夠提供高精度的SOC估計和高度安全的電池認(rèn)證。

只需少量額外的無源元件，設(shè)計人員就可以使用MAX17201或其在系統(tǒng)側(cè)（圖2A）或電池組（圖2B）中實(shí)現(xiàn)這些功能的變體。 MAX17201和MAX17211監(jiān)控單節(jié)電池組，MAX17205和MAX17215監(jiān)控并平衡多節(jié)電池組。

圖2：Maxim Integrated MAX17201和MAX17211支持系統(tǒng)側(cè)（A）和電池側(cè)（B）設(shè)計，只需少量附加組件即可提供復(fù)雜的容量估算和電池認(rèn)證。 （圖像來源：Maxim Integrated）

對于設(shè)計人員而言，該器件提供了近乎可靠的解決方案。硬件工程師可以通過簡單的串行2線或1線接口將器件集成到目標(biāo)系統(tǒng)的電源管理設(shè)計中。 （MAX1720x器件支持I 2 C串行接口; MAX1721x器件支持Maxim 1線串行接口。）軟件開發(fā)需要在串行連接上實(shí)現(xiàn)一些簡單的命令來執(zhí)行電池SOC和MAX172xx器件內(nèi)置的認(rèn)證程序。

開發(fā)人員可以使用Maxim工具來表征電池以滿足自定義調(diào)諧要求，但他們通常可以忽略電池/系統(tǒng)集成中的這一傳統(tǒng)步驟。該設(shè)備的默認(rèn)設(shè)置可處理各種電池，無需進(jìn)一步表征。在整個電池的生命周期中，工程師可以依靠設(shè)備自動補(bǔ)償溫度變化，放電率，甚至電池單元老化的能力，以保持準(zhǔn)確的結(jié)果。

自適應(yīng)SOC算法

< p>對于SOC估算，該器件采用Maxim專有的ModelGauge m5算法，該算法將庫侖計數(shù)與電池OCV測量相結(jié)合。在這里，該算法利用每種估計方法的優(yōu)勢來抵消對方的弱點(diǎn)。例如，在上電復(fù)位后，庫侖計數(shù)未知。即使設(shè)計者接受了與斷電時在非易失性存儲器中保留該值相關(guān)的成本，在延長的斷電狀態(tài)期間適度的電池放電也會削弱其準(zhǔn)確性。 Maxim的m5算法通過最初使用OCV作為SOC估計的主要來源來回避這個問題。

隨著電池使用的繼續(xù)，m5算法更多地依賴于庫侖計數(shù)，當(dāng)輸出電流響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載的正常變化而變化時，庫侖計數(shù)可以更可靠地跟蹤SOC。隨著時間的推移，m5算法將庫侖計數(shù)的結(jié)果與基于OCV的SOC估計的結(jié)果進(jìn)行比較。隨著這些估計方法之間的差異變寬，m5算法以固定步長增加或減少庫侖計數(shù)值，以使其更接近OCV結(jié)果。凈效應(yīng)是SOC估計結(jié)果，其避免了庫侖計數(shù)的漂移和OCV方法的不穩(wěn)定性（圖3）。

圖3：Maxim Integrated ModelGauge m5算法協(xié)調(diào)使用兩種傳統(tǒng)方法：庫侖計數(shù)和開路電壓測量，以最大化每個方法的優(yōu)勢方法同時盡量減少其缺點(diǎn)。 （圖像來源：Maxim Integrated）

對于實(shí)際應(yīng)用，剩余電池壽命有多個方面。改變溫度和放電速率會影響應(yīng)用實(shí)際可用的電荷量。 MAX17201及其變體使用專用器件寄存器報告不同的容量測量值，以滿足實(shí)際使用情況（圖4）。主機(jī)通過串行接口上的簡單讀取命令根據(jù)需要讀取這些寄存器。

圖4：Maxim Integrated的MAX172xx器件系列將傳統(tǒng)的容量報告（MixCap）與實(shí)際可用的瞬時容量（AvCap）的附加值相結(jié)合。應(yīng)用程序和結(jié)果（RepCap），提供可用容量的平滑表示。 （圖像源：Maxim Integrated）

MixCap寄存器基于極低電流放電和可變輸出電壓的假設(shè)，提供理想容量的傳統(tǒng)視圖。相比之下，AvCap寄存器旨在提供對應(yīng)用程序?qū)嶋H可用剩余容量的更實(shí)際測量。例如，該寄存器中的值通過計算由于單元最小電壓要求而不可用的電荷來降低MixCap值。

同時，AvCap寄存器值提供有效剩余容量的瞬時視圖，隨負(fù)載的變化而變化很大（參見圖4中的“負(fù)載增加”事件）。由于負(fù)載不斷變化，AvCap值本身可能代表對剩余容量的過度悲觀或樂觀的看法。更糟糕的是，從用戶的角度來看，如果直接報告，這些快速變化可能會令人困惑。 Maxim提供另一個寄存器RepCap，它可以平滑AvCap結(jié)果，幫助開發(fā)人員為用戶提供更穩(wěn)定的剩余容量視圖。

電池壽命估算

在理想條件下，鋰離子電池的容量估算非常困難。隨著時間的推移，細(xì)胞年齡和連續(xù)充電/放電循環(huán)導(dǎo)致細(xì)胞容量降低（圖5）。提供準(zhǔn)確估計電池壽命終點(diǎn)的能力對于避免最終用戶突然發(fā)現(xiàn)其電池?zé)o法在合理的時間內(nèi)維持充電的情況至關(guān)重要。然而，在實(shí)踐中，如果電池使用超過制造商規(guī)定的標(biāo)稱操作條件，則使用簡單的循環(huán)計數(shù)來預(yù)測電池壽命終止可能導(dǎo)致意外的早期壽命終止。

圖5：鋰離子電池，包括此處繪制的FDK America ML2430 3伏電池，通常會隨著占空比的增加而損失容量。 （圖片來源：FDK America）

Maxim的ModelGauge m5算法包含一個名為Cycle +的功能，可以預(yù)測單元格中剩余的周期數(shù)。 Cycle +機(jī)制監(jiān)視電池容量隨時間的變化，并預(yù)測電池容量下降到預(yù)定閾值之前剩余的周期數(shù)。年齡預(yù)測機(jī)制需要特定于開發(fā)人員的周期數(shù)才能開始預(yù)測。

鑒于可能影響細(xì)胞的眾多因素，隨著細(xì)胞特征的變化，年齡預(yù)測的準(zhǔn)確性會受到侵蝕。年齡，環(huán)境和應(yīng)用。因此，Maxim對年齡預(yù)測設(shè)定了具體限制。例如，該算法允許開發(fā)人員確定剩余的周期數(shù)，直到電池容量下降到設(shè)定的起始容量百分比。開發(fā)人員使用設(shè)備的DeadTargetRatio寄存器設(shè)置此百分比，該寄存器允許值介于啟動容量的75％和86.72％之間。該公司特別警告說，預(yù)測低于此設(shè)定百分比的剩余周期的嘗試是不可預(yù)測的，并且不受算法支持。

盡管MAX17201的有效范圍有限，但它能夠預(yù)測電池的剩余周期，使開發(fā)人員能夠執(zhí)行中段校正到單元數(shù)據(jù)表中指定的理論生命周期參數(shù)。如果預(yù)測表明使用模式會導(dǎo)致電池過早達(dá)到使用壽命，開發(fā)人員可以動態(tài)改變電池充電/放電機(jī)制，以滿足與最終產(chǎn)品相關(guān)的生命周期預(yù)期。至少，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)用戶界面功能，警告早期電池丟失。

電池認(rèn)證

雖然專用設(shè)備提供了電池SOC的估計，但包裝和電子措施都有過去常常使造假者難以克隆電池。在最簡單的層面上，使用特定的封裝幾何形狀和每個電池的連接器放置意味著電池必須滿足與目標(biāo)產(chǎn)品一起使用的機(jī)械要求。

最重要的是，制造商可能會添加簡單的無源電阻網(wǎng)絡(luò)旨在產(chǎn)生與特定電池類型相關(guān)的特定值。更進(jìn)一步，主動識別系統(tǒng)在系統(tǒng)側(cè)的電池認(rèn)證電路讀取時提供了更具體的ID或序列號。

盡管如此，這些方法中的每一種最終都證明不足以限制假冒電池。

MAX172xx設(shè)備采用復(fù)雜的質(zhì)詢 - 響應(yīng)方法，依賴于基于隨機(jī)數(shù)據(jù)和密鑰的信息交換。這種類型的質(zhì)詢 - 響應(yīng)認(rèn)證導(dǎo)致非常大量的可能的質(zhì)詢 - 響應(yīng)對。造假者不能希望經(jīng)濟(jì)地將所有可能的對構(gòu)建成電池。此外，秘密密鑰被刻錄到每個設(shè)備中并且在外部是不可讀的。由于它僅在內(nèi)部使用且從未在總線上傳輸，因此造假者無法輕易捕獲用于電池克隆的密鑰。如果沒有確切的密鑰，嘗試猜測正確的響應(yīng)將是不切實(shí)際的。

Maxim在MAX172xx系列中支持兩種類型的質(zhì)詢 - 響應(yīng)序列。在一種方法中，主機(jī)和MAX172xx設(shè)備共享相同的秘密，并且每個都計算一個消息認(rèn)證碼（MAC），主機(jī)將其與自己的結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證電池（圖6）。執(zhí)行此認(rèn)證方法很簡單：主機(jī)通過將隨機(jī)的160位質(zhì)詢寫入MAX172xx器件的專用存儲空間來啟動序列。

使用簡單的命令序列，主機(jī)然后命令MAX172xx計算MAC以響應(yīng)該挑戰(zhàn)。主機(jī)等待結(jié)果，從設(shè)備讀取計算的MAC，將其與自己的結(jié)果進(jìn)行比較，如果結(jié)果匹配則接受電池。

圖6：使用共享密鑰，主機(jī)向MAX172xx設(shè)備發(fā)出隨機(jī)質(zhì)詢，并將設(shè)備生成的MAC與自己的結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證電池。 （圖像來源：Maxim Integrated）

對于某些應(yīng)用，在主機(jī)端使用共享密鑰可能不符合成本效益。例如，設(shè)備制造商可能不希望在系統(tǒng)端產(chǎn)生額外的密鑰存儲費(fèi)用。

MAX172xx器件提供了一種替代方法，無需主機(jī)端密鑰。在這里，每個主機(jī)都有一個獨(dú)特的挑戰(zhàn)：MAC對（圖7）。如上所述，特定主機(jī)僅向設(shè)備發(fā)出相同的命令序列，但這次使用其存儲的挑戰(zhàn)。為了驗(yàn)證電池，主機(jī)將設(shè)備計算的MAC與其存儲的MAC值進(jìn)行比較。從主機(jī)角度來看，這種方法提供了比使用共享機(jī)密更簡單的方法。出于所有實(shí)際目的，這種方法仍然提供相同級別的保護(hù)：即使偽造者捕獲這一特定對，該信息也只允許電池訪問該特定主機(jī)。

圖7：MAX172xx器件提供了一種更簡單的認(rèn)證機(jī)制，無需在主機(jī)端安全存儲密鑰，只需簡單存儲挑戰(zhàn)：響應(yīng)對即是每個主機(jī)獨(dú)有的。 （圖像來源：Maxim Integrated）

結(jié)論

電池在電池供電產(chǎn)品的整體用戶體驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。不準(zhǔn)確估計電池電量和不可接受的電池壽命會使產(chǎn)品整體變得不可靠或有缺陷。同樣，如果意外或意圖使用了錯誤的電池，隨后對產(chǎn)品的損壞會直接導(dǎo)致客戶對目標(biāo)系統(tǒng)的不滿與電池一樣。

MAX172xx系列提供單芯片解決方案電池充電估算和電池認(rèn)證。使用該系列中的器件，產(chǎn)品開發(fā)人員可以為用戶提供準(zhǔn)確的電池壽命估算，同時確保使用維持安全性和性能所需的可靠電池。