通過電量計(jì)IC延長電池電力運(yùn)行時(shí)間

鑒于電池壽命在用戶滿意度和便攜式產(chǎn)品的市場成功中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，各種各樣的供應(yīng)商提供燃料或氣體計(jì)IC都不足為奇。通過在所有操作條件下持續(xù)估算電池電量，這些設(shè)備執(zhí)行許多重要任務(wù)，包括延長系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和電池壽命，幫助管理電池的運(yùn)行狀況，并通過報(bào)告故障狀況來提高安全性。同時(shí)，通過執(zhí)行原本需要使用分立元件的任務(wù)，電量計(jì)IC有助于減少元件數(shù)量，成本和產(chǎn)品占用空間，同時(shí)最大限度地減少系統(tǒng)處理器上的軟件開銷。

然而，準(zhǔn)確估算鋰離子（Li-ion）電池的容量并非易事。鋰離子電池的充電狀態(tài)（SOC）受各種因素驅(qū)動，包括溫度和放電率。電量計(jì)IC用于估算SOC的算法必須補(bǔ)償各種問題，如自放電，電池單元的內(nèi)部阻抗和電池老化。電量計(jì)IC必須將這些數(shù)據(jù)與電池的先前知識相結(jié)合，以準(zhǔn)確估算SOC。

老化問題是這項(xiàng)任務(wù)固有挑戰(zhàn)的一個(gè)很好的例子。雖然細(xì)胞的容量通常不同，但隨著細(xì)胞老化，個(gè)體細(xì)胞的容量也隨著時(shí)間的推移而變化，并且失去了儲存電荷的能力（圖1）。設(shè)計(jì)人員在估算SOC時(shí)面臨的一個(gè)更困難的挑戰(zhàn)是如何補(bǔ)償能夠在比新電池更短的時(shí)間內(nèi)提供電壓的舊電池。

圖1：電量計(jì)IC必須補(bǔ)償電池壽命對容量的影響。上圖說明了隨著電池的年齡或周期數(shù)的增加，其隨時(shí)間保持固定電壓的能力下降。 （來源：德州儀器公司）

快速發(fā)展

通常，電量計(jì)IC位于電池組上，使用低值分流電阻跟蹤電流進(jìn)出電池。早期的電池監(jiān)控電路只是測量電池的電壓。然而，難以獲得高度精確的電池容量估計(jì)，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流水平改變時(shí)，對于給定的SOC，電池的瞬時(shí)電壓可以向上或向下移動。

今天大多數(shù)電量計(jì)IC都采用庫侖計(jì)算方法來計(jì)算電池容量。這些器件使用帶有測量電路和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的小型檢測電阻器隨時(shí)間跟蹤毫安電池的進(jìn)出電池。為了在典型條件下產(chǎn)生電池容量模型，它們從已知的起始點(diǎn)（例如100％容量）計(jì)算電池輸入和輸出的mAH。然后，當(dāng)電池充電和放電時(shí)，電路可以跟蹤SOC。

然而，庫侖計(jì)數(shù)方法本身存在一些缺點(diǎn)。這種類型的儀表必須考慮所有運(yùn)行的充電和放電活動，以準(zhǔn)確測量SOC。然而，當(dāng)電池通常由于自放電而失去電荷時(shí)，這種方法通常不能解決長期存儲期間的損失。它也無法補(bǔ)償電流檢測電路可能無法測量的廣泛變化的負(fù)載電流，特別是在極低或高端。

一些電量計(jì)供應(yīng)商將庫侖計(jì)與片上檢測電阻集成在一起，該電阻經(jīng)溫度補(bǔ)償以提高精度。其他人使用電池阻抗測量來估計(jì)鋰離子電池的SOC。這種方法使用實(shí)時(shí)電阻曲線，通過調(diào)整所有使用條件下的IR壓降來預(yù)測電池的放電曲線。通過在系統(tǒng)啟動時(shí)將庫侖計(jì)數(shù)與系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的開路電壓測量相結(jié)合，這些儀表可以提供高精度。

多種選擇

今天供應(yīng)商提供從簡單的電量監(jiān)測計(jì)IC到完全集成的電池管理和保護(hù)電路，提供廣泛的解決方案。對于平板電腦，便攜式和可穿戴健康設(shè)備以及便攜式音頻設(shè)備等應(yīng)用，德州儀器（TI）的bq28z610為1系列和2系列鋰離子電池組提供高度集成的電量監(jiān)測計(jì)（圖2）。該設(shè)備通過使用主模式I 2 C充電電流和電壓信息廣播實(shí)現(xiàn)自動電池充電控制，從而最大限度地降低了系統(tǒng)控制器上的軟件開銷。該集成儀表將低功耗TI bqBMP處理器與高精度模擬前端相結(jié)合，具有兩個(gè)獨(dú)立的ADC，集成閃存以及各種外設(shè)和通信端口。它還增加了一個(gè)高端保護(hù)N-CH FET驅(qū)動器，以支持故障條件下的串行總線通信，以及一個(gè)SHA-1認(rèn)證響應(yīng)器，用于電池組安全性。

圖2：德州儀器的bq28z610電量監(jiān)測計(jì)提供高水平的集成。高性能嵌入式模擬外設(shè)支持低至1mΩ的檢測電阻，并可同時(shí)進(jìn)行電流/電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行功率計(jì)算。 （來源：德州儀器）

為了在不進(jìn)行建?；?qū)W習(xí)的情況下準(zhǔn)確計(jì)算剩余電池容量，bq28z610采用德州儀器專有的阻抗跟蹤算法。雖然許多電量計(jì)依賴于模型電池性能或執(zhí)行重新校準(zhǔn)序列來更新片上模型參數(shù)，但阻抗跟蹤方法使用電池阻抗測量來估計(jì)鋰離子電池的SOC。德州儀器聲稱這種方法在電池壽命期間的誤差小于1％。

在選擇電量計(jì)IC時(shí)，功耗和占位面積通常是關(guān)鍵考慮因素。低靜態(tài)電流特別重要，因?yàn)楫?dāng)關(guān)閉電池負(fù)載以定期測量開路電壓時(shí)，必須給電量計(jì)通電。 Maxim的MAX17048和MAX17049電量計(jì)IC工作在23μA，在休眠模式下運(yùn)行低至4μA（圖3）。這兩款器件體積小巧，采用0.9 x 1.7 mm，8凸塊晶圓級封裝（WLP）或2 x 2 mm，8引腳TDFN封裝。

兩款器件均采用Maxim的ModelGauge Li +電池建模算法。與需要多個(gè)外部元件（包括檢測電阻）的傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)儀不同，ModelGauge通過提供精確的充電狀態(tài)來減少占位面積，從而補(bǔ)償溫度和負(fù)載，同時(shí)消除電阻和電池學(xué)習(xí)周期。使用系統(tǒng)微控制器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 MAX17048采用單節(jié)鋰電池供電，而MAX 17049則支持兩節(jié)串聯(lián)鋰電池。

圖3：憑借其ModelGauge電池建模算法，Maxim Integrated的MAX17048/MAX17049電量計(jì)IC通過消除傳統(tǒng)電量計(jì)設(shè)計(jì)中使用的電流檢測電阻和其他外部元件，減少了占板面積。 （來源：Maxim Integrated）

電流和電壓保護(hù)是任何電量計(jì)解決方案的關(guān)鍵考慮因素。對于單節(jié)鋰離子電池組，德州儀器公司的bq28550-R1將電池電量監(jiān)測計(jì)與一整套電流和電壓保護(hù)功能結(jié)合在一起（圖4）。該器件需要主機(jī)微控制器支持實(shí)現(xiàn)。 bq28550-R1通過串行接口為系統(tǒng)處理器提供所有關(guān)鍵電池信息，包括充電狀態(tài)，空載運(yùn)行時(shí)間，充電時(shí)間，電池電壓和電池組溫度。同時(shí)，它還提供短路，過流充電和放電，過壓充電和欠壓保護(hù)。

圖4：專為電池組設(shè)計(jì)集成，bq28550-R1單節(jié)鋰離子電池電量監(jiān)測計(jì)增加了短路，過流，過壓和欠壓保護(hù)。 （來源：德州儀器）

為了準(zhǔn)確估算燃料容量，該設(shè)備使用補(bǔ)償放電終止電壓（CEDV）方法，其中算法在數(shù)學(xué)上模擬電池電壓作為電池SOC，溫度和電流的函數(shù)。它還將電池阻抗（Z）建模為SOC和溫度的函數(shù)。

結(jié)論

隨著電池容量計(jì)的使用范圍的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)師也依賴于他們提供的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。今天的便攜式系統(tǒng)必須比以往任何時(shí)候都更能響應(yīng)環(huán)境條件。它們越來越多地用于根據(jù)可用的電池容量做出運(yùn)營決策。通過精確測量關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確估算SOC并將信息提供給主處理器，電量計(jì)IC可以幫助系統(tǒng)更有效地從電池中提取電力并最大限度地延長運(yùn)行時(shí)間。