獲取電量計應用中的鋰電池特性

摘要：精確的電池電量計量應建立在對在不同工作環(huán)境和條件下的電池各種特性的充分了解的基礎上。要獲取這些信息，應該在已知的條件下準確測試電池的各種特性。本應用筆記敘述了獲取電池特性的步驟，包括如何采集數(shù)據(jù)以及如何處理數(shù)據(jù)。文章還同時闡述了如何借助電量計軟件的算法，將數(shù)據(jù)載入Dallas Semiconductor電池管理器件的評估軟件。

引言

要精確估算Li+電池的剩余電量，有必要了解電池特性如何隨著溫度和負載電流的變化而改變。本應用筆記介紹了一種獲取Li+電池特性的方法，討論了如何采集并處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評估軟件，用于電量計應用中。器件通過累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數(shù)據(jù)與已計算出的電池滿電量和空電量進行比較，從而確定剩余容量。

獲取Li+電池特性的步驟

1. 確定充電和放電曲線

獲取Li+電池特性的最好辦法是創(chuàng)造一個盡可能與實際應用相類似的環(huán)境。其中包括保護電路、放電曲線(包括實際應用中有效電流和待機電流的典型值)、充電曲線、及應用的周圍環(huán)境溫度。因此要求對電池充電和放電過程進行模擬，并且要相應調整工作溫度。通常情況下，應該以10°C為步長，在0°C至40°C范圍內獲取各種電池特性參數(shù)。同時，評估軟件所要求的溫度點間隔也是10°C。

有效電流指用戶使用過程中Li+電池的典型輸出電流。待機電流指空閑狀態(tài)時Li+電池的典型輸出電流。

評估軟件電量計部分中Active Empty和Standby Empty分別對應Li+電池以有效電流放電和待機電流放電到空電壓(由用戶定義)的點?？针娏奎c如圖1所示，相關說明見步驟5。用戶可以定義不同的有效空電量點和待機空電量點。充電電路將Li+電池充分充電的點定義為滿電量點。有關使用內置電量計的Dallas電池管理器件的詳細說明，參見應用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Maxim Battery Monitor ICs。


圖1. 逐步放電過程中電壓與電流的關系

2. 校準器件的失調寄存器

根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應校準器件的失調。借助于所選器件的評估軟件，可以很容易的對器件的失調進行校準。確認電路中沒有接入負載，然后點擊Meters標簽中的Calibrate Offset按鈕。如果不使用評估軟件，可根據(jù)應用筆記224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校準失調。

3. 開始記錄數(shù)據(jù)

使用評估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進入Data Log標簽，設置Sample Interval為15秒并點擊Log Data。建議采用15秒的間隔時間，因為該時間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數(shù)據(jù)點。所有實時數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中，直到點擊Stop Logging Data按鈕。

4. 在室溫下激活電池

首先必須對電池進行激活(break-in)。通常，在Li+電池壽命的初期其容量將有百分之幾的波動。因此，建議在測試電池特性之前使其經(jīng)過20次完全充放電周期。在這一過程中無需記錄數(shù)據(jù)，但如果進行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶監(jiān)視其他電池失調參數(shù)，以用于最終數(shù)據(jù)分析。

5. 從最高溫度開始校準

通常建議從最高溫度開始測試電池的特性，因為此時Li+電池容量最大，適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點。設定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機空電量點。隨后，根據(jù)實際應用要求的充電曲線對電池充分充電，這一點對應的是該溫度下的滿電量點。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶定義的有效空電壓，以確定有效空電量點。最后，將負載變?yōu)榇龣C電流并繼續(xù)放電，直至電壓降到待機空電壓，以確定待機空電量點。

如果想加速該過程，用戶可以將電流從有效電流逐步降低至待機電流。如圖1所示，設定有效電流為200mA，待機電流為5mA，兩種情況下的空電壓均定義為3.3V。采用200mA的電流將電池放電至3.3V，使電壓降到有效空電量點，然后，經(jīng)過幾秒鐘后，再以100mA的電流對電池放電，使其再次達到空電壓點。隨后放電電流逐步降低，從50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后電池電壓穩(wěn)定在空電壓，該點即為待機空電量點。這樣，不需要經(jīng)過漫長的5mA放電過程，即可使電池快速達到相同的空電量點。

6. 在各個溫度下重復操作

一旦到達某一溫度的待機空電量點，立即轉入下一個溫度，并開始對電池充電直至電池滿充。充電完成后即到達該溫度的滿電量點。然后將電池放電到有效空電量點和待機空電量點。在所有需要的溫度上重復上述操作，完成對電池特性的測量。

從特性參數(shù)中篩選關鍵數(shù)據(jù)點

評估軟件將實時數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導入電子表格。然后可以通過分類或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數(shù)據(jù)。

7. 找出所有需要的數(shù)據(jù)點

用戶可以對記錄文件里的數(shù)據(jù)進行分類，標記出所有滿電量點、有效空電量點以及待機空電量點。完成上述過程的簡單辦法是，瀏覽所有數(shù)據(jù)，查找Current列并觀察電流讀數(shù)的變化情況，并且在電子表格中沒有用到的列插入“x”。例如，當電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時，記為滿電量點；當電池停止以有效電流放電時，記為有效空電量點；當電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時，記為待機空電量點。然后通過電子表格的自動篩選(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各個重要的標記點。

表1給出了獲取 Li+電池特性時，使用DS2761采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選后，標記出的各個重要數(shù)據(jù)點的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點即為滿電量點。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點對應有效空電量點。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點則對應待機空電量點。分別在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下獲取電池特性參數(shù)。

如果在步驟4的電池激活過程中記錄了數(shù)據(jù)，可以對空電量點進行比較，以判斷其是否有增加或減少，進而判斷電流值是否存在失調。因為是在恒溫條件下完成這一激活過程，所以如果不存在任何失調，則所有空電量點將完全相同。如果存在失調，則應該根據(jù)ACR列所引入的失調對數(shù)據(jù)進行響應的修正，從而準確測量Li+電池特性。

表1. Li+電池特性參數(shù)

Time	Voltage	Current	Temperature	ACR	Mark	Label
1:13:26 AM	3.25	918.317	40	62.38	x	Start
2:12:41 AM	4.158	480.817	40	927.97	x	Break
2:41:34 AM	4.197	68.688	39.75	1032.7	x	Full
5:26:54 AM	3.035	-345.297	40.125	81.19	x	Active Empty
7:36:03 AM	2.757	-2.475	39.875	71.04	x	Standby Empty
8:35:50 AM	4.163	440.594	30.125	930.2	x	Break
9:06:28 AM	4.197	69.307	30	1032.2	x	Full
11:50:18 AM	3.006	-344.678	30.375	94.06	x	Active Empty
1:44:11 PM	2.757	-3.094	30.125	80.69	x	Standby Empty
2:45:07 PM	4.168	376.856	20.125	929.95	x	Break
3:18:54 PM	4.197	69.926	21.125	1031	x	Full
6:00:16 PM	2.987	-345.297	20.625	110.15	x	Active Empty
7:46:43 PM	2.757	-3.094	20.5	90.1	x	Standby Empty
8:51:04 PM	4.177	306.312	10.375	928.71	x	Break
9:29:26 PM	4.197	70.545	10.5	1028.5	x	Full
12:06:02 AM	2.962	-346.535	10.875	130.94	x	Active Empty
2:01:00 AM	2.757	-3.094	10.75	100.5	x	Standby Empty
3:16:05 AM	4.182	230.817	0.625	919.06	x	Break
4:00:59 AM	4.197	69.926	0.5	1019.3	x	Full
6:28:55 AM	2.943	-350.248	1.25	161.63	x	Active Empty
9:18:10 AM	2.777	0	0.875	113.61	x	Standby Empty

8. 確定電池容量的相關數(shù)據(jù)

通過記錄文件ACR列的數(shù)據(jù)，可以確定不同溫度下Li+電池滿電量點和空電量點。滿電量點和空電量點只是一個相對值，需要選擇一個固定參考點。選擇最高溫度下的待機空電量點作為參考，因為該點往往是獲取電池特性參數(shù)過程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此，所有讀數(shù)均大于該點的值，易于進行數(shù)據(jù)存儲。

表2列出了表1中所有重要的ACR值。選擇40°C時的待機空電量點作為參考點，將其他所有ACR值減去71.04mAhrs，以得出其他點的滿電量和空電量點。表3列出了以40°C待機空電量點為參考點的所有滿電量和空電量點的值，可以通過評估軟件很方便的將這些數(shù)據(jù)存儲到器件中。

表2. 表1中的滿電量和空電量點

Temperature	0	10	20	30	40
Full	1019.3	1028.5	1031	1032.2	1032.7
Standby Empty	113.61	100.5	90.1	80.69	71.04
Active Empty	161.63	130.94	110.2	94.06	81.19

表3. 以40°C的待機空電量點為參考點的滿電量和空電量點

Temperature	0	10	20	30	40
Full	948	957	960	961	962
Standby Empty	43	29	19	10	0
Active Empty	91	60	39	23	10

9. 確定轉折點

轉折點是用于估計充電剩余時間的重要數(shù)據(jù)點。借助轉折點，采用2分折線來近似充電期間的ACR曲線，如圖2所示。轉折點由用戶選擇，應保證由轉折點所確定的2分折線與實際的ACR曲線之間具有的誤差最小。


圖2. 20°C下充電時ACR曲線和2分折線近似的關系

確定轉折點的最簡單方法是：繪出充電期間的ACR時間曲線，觀察曲線在何處發(fā)生轉折。建議選擇ACR曲線的中間溫度作為轉折點，同時所有溫度均選擇該點作為轉折點。該轉折點以低于滿電量電多少mAhrs表示。圖2中，轉折點約比滿電量點低100mAhrs。

10. 確定各個點的充電估計剩余時間

FuelPack算法要求提供轉折點、所有溫度下從空電量點到滿電量點的時間以及所有溫度下從轉折點到滿電量點的時間這一系列數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)剩余充電時間的精確估算。因此，需要對數(shù)據(jù)進行分析并篩選出所有轉折點?？梢哉页鏊袧M電量點，減去步驟9中所選的轉折點的mAhrs值，即可以很簡單的找出轉折點。

從表1中的數(shù)據(jù)中，取前一個溫度點的待機空電量點的時間(開始充電的時間)、轉折點的時間以及滿電量點的時間，制成表格如表4所示。表4也給出了每個點的ACR值。 然后，根據(jù)記錄的時間可計算每一溫度下從空電量點到滿電量點的時間，以及從轉折點到滿電量點的時間，如表5所示。評估軟件的電量計算法只為3個溫度點的充電數(shù)據(jù)分配了足夠的EEPROM，因此選擇將0°C、20°C及40°C的數(shù)據(jù)寫入器件。

表4. 各個溫度下待機空電量點、轉折點及滿電量點發(fā)生的時間

Temperature	0		20		40
	Time Stamp	ACR	Time Stamp	ACR	Time Stamp	ACR
Standby Empty	2:01:00 AM	100.5	1:44:11 PM	80.69	1:13:26 AM	62.38
Break	3:16:05 AM	919.06	2:45:07 PM	929.95	2:12:41 AM	927.97
Full	4:00:59 AM	1019.06	3:18:54 PM	1031	2:41:34 AM	1032.7

表5. 估算各個點的充電剩余時間

Temperature	0	20	40
Empty to Full (minutes)	120	95	88
Break to Full (minutes)	45	34	29
Break Point (mAhrs)	100	?	?

將數(shù)據(jù)寫入器件并啟動電量計量

11. 將相應的數(shù)據(jù)寫入器件

將表3和表5中的數(shù)據(jù)通過評估板寫入器件。將數(shù)據(jù)手動輸入到Pack Info標簽中Fuel Gauging Data子標簽的文本框，如圖3所示， 并點擊Write按鈕(圖中未顯示)。 數(shù)據(jù)將被寫入器件的暫存器，并隨后被復制到EEPROM。


圖3. 把電量計所需的數(shù)據(jù)導入評估軟件

12. 同步ACR

準確測量Li+電池電量的最后一步是實現(xiàn)器件的ACR值與電池電量的同步。完成該程的簡單方法是，根據(jù)實際的充電特性曲線對Li+電池充分充電，然后將該溫度的ACR設置為滿電量點。用評估軟件實現(xiàn)時，先點擊Fuel Gauging標簽上的Start Fuel Gauging按鈕啟動電量計量，如圖4所示。充電完成后，點擊Fuel Gauging標簽中的Full按鈕，即實現(xiàn)ACR與電池電量的同步。


圖4. 評估軟件的Fuel Gauging標簽

有關電量計數(shù)據(jù)的詳細信息，請參見應用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Maxim Battery Monitor ICs。

總結

當對Li+進行電池充放電時，Dallas Semiconductor電量計算法可以準確跟蹤電池電量。這需要了解電池電量特性的相關信息，以及實際應用中電池在各種負載和溫度條件之下所表現(xiàn)的特性。只要使用Dallas Semiconductor所提供的評估軟件測量并記錄電池的特性數(shù)據(jù)，就可用電量計準確地估算電池的剩余電量。