基于開路電壓(OCV)的電量計(jì)DS2786

摘要：DS2786是基于開路電壓(OCV)的電量計(jì)，可報告儲存在鋰離子(Li+)電池中的總電量。正常工作溫度條件下，OCV是理想的鋰離子(Li+)電池存儲容量指示器。然而，由于電池阻抗隨溫度變化，實(shí)際提供給應(yīng)用電路的容量與電池中儲存的容量將有所不同。本應(yīng)用筆記描述了不同溫度和負(fù)載條件下，如何提高基于OCV的電量計(jì)DS2786估算能提供給應(yīng)用電路的電池容量的精度。

引言

基于OCV的獨(dú)立式電量計(jì)DS2786可根據(jù)空閑狀態(tài)下電池的開路電壓來估算可充電鋰離子(Li+)電池的可用容量。器件根據(jù)儲存在IC中的查找表，通過開路電壓確定電池的相對容量。這一功能使用戶可以在電池組插入后立即得到準(zhǔn)確的容量信息。

然而，由于電池阻抗隨溫度變化，根據(jù)溫度和負(fù)載條件不同，電池的可輸出容量可能會與DS2786報告的剩余電量有些差別。本應(yīng)用筆記描述了如何理解基于OCV的電量計(jì)DS2786的讀數(shù)，以及如何準(zhǔn)確估算特定溫度和負(fù)載條件下可供給應(yīng)用電路的容量。

描述電池特性

為了闡明如何提高基于OCV電量計(jì)的估算精度，本應(yīng)用筆記給出了一個范例，該范例采用經(jīng)Dallas Semiconductor公司經(jīng)過特性測試的1100mAh電池的OCV曲線。在20°C溫度條件下，電池以950mA恒流充電至4.2V。然后，又以4.2V恒壓對該電池充電。當(dāng)充電電流逐漸減小至50mA時，可認(rèn)為電池為滿電量(100%)。隨后，以220mA負(fù)載電流(0.2C)對電池放電直到電池電壓降至2.5V。此時，可認(rèn)為電池電量為零電量(0%)。

隨后，以8段折線線性近似電池特性曲線，并儲存到DS2786中。表1給出了該指定電池的容量和對應(yīng)開路電壓，而圖1繪出了電池的OCV曲線。

表1. 范例電池的OCV曲線

?	Capacity (%)	OCV (V)
Breakpoint 8	100	4.177
Breakpoint 7	85	4.040
Breakpoint 6	55	3.832
Breakpoint 5	45	3.799
Breakpoint 4	25	3.755
Breakpoint 3	15	3.693
Breakpoint 2	10	3.687
Breakpoint 1	5	3.593
Breakpoint 0	0	3.213

圖1. 根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪出的OCV曲線圖

進(jìn)一步測試電池的溫度特性(0°C、10°C和20°C)，以確定電池在不同充電狀態(tài)下的OCV特性。在本應(yīng)用筆記中，假設(shè)溫度高于20°C時測試曲線的變化可忽略。

按照上述的過程把電池充電至滿電量。然后，再分別以600mA、275mA、100mA和5mA的電流將電池放電至3.2V。這些放電率分別表示無線手持設(shè)備的多媒體模式、通信模式、背光模式和待機(jī)模式。

每當(dāng)電池達(dá)到滿電量或零電量時，就將電池閑置一個小時并且記錄其OCV (表2)。圖2給出了電池OCV相對于電池溫度的曲線圖。

表2. 滿電量點(diǎn)和零電量點(diǎn)的開路電壓

?	Open-Circuit Voltage (V)
?	0°C	10°C	20°C
Full	4.141	4.166	4.176
Empty 600mA	3.703	3.633	3.472
Empty 275mA	3.609	3.431	3.308
Empty 100mA	3.413	3.290	3.242
Empty 5mA	3.229	3.215	3.211

圖2. 根據(jù)表2中數(shù)據(jù)繪出的范例電池OCV相對于電池溫度的曲線圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，DS2786中裝入了表1給出的曲線并且連接到電池上。DS2786估算各個滿電量點(diǎn)和零電量點(diǎn)的剩余電量，如表3所示。圖3是根據(jù)表3中數(shù)據(jù)繪出的曲線。

表3. DS2786報告出的剩余電量

?	Remaining Capacity (%)
?	0°C	10°C	20°C
Full	96.5	99.0	100.0
Empty 600mA	16.5	5.0	2.5
Empty 275mA	4.5	3.0	1.5
Empty 100mA	2.0	1.5	1.0
Empty 5mA	0.5	0.5	0.5

圖3. 該圖給出了DS2786報告的剩余容量相對于電池溫度的關(guān)系。由于電池阻抗隨溫度變化，電池不能完全釋放其存儲的電量。

修正DS2786報告的容量

表3表示在不同的溫度和負(fù)載條件下，鋰離子(Li+)電池中儲存的電量不能完全釋放到應(yīng)用電路中。為了修正DS2786報告的電量，只需要減去當(dāng)前溫度和負(fù)載條件下不能釋放到應(yīng)用電路中的電量就可以了。

例如，假設(shè)應(yīng)用電路在通信模式下消耗的電流為275mA。根據(jù)表3，在20°C時電池儲存能量的1.5%不能釋放到應(yīng)用電路中。如果DS2786根據(jù)OCV測量結(jié)果報告電池的剩余電量為其儲存能量的20%，那么在該模式下，應(yīng)用電路將以1.5%作為空電量點(diǎn)基準(zhǔn)，并且報告還有18.5% (20% - 1.5%)的總電池電量可以使用。溫度為0°C時，在相同負(fù)載下將有4.5%的電池儲存電量不能釋放。在這種情況下，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該報告還有15.5% (20% - 4.5%)的總電池電量可以使用。

結(jié)論

提高基于OCV的電量計(jì)DS2786的電量估算精度，從而可使應(yīng)用電路能指示出在特定溫度和負(fù)載條件下，有多少Li+電池中存儲的能量能夠傳遞給應(yīng)用電路?？赏ㄟ^構(gòu)造一個簡單的表格并采用數(shù)據(jù)內(nèi)插的方法，來進(jìn)一步提高容量報告的精度。Dallas Semiconductor公司可幫助用戶采集數(shù)據(jù)和構(gòu)建表格。

附錄A：與庫侖計(jì)比較

Dallas Semiconductor公司基于庫侖計(jì)的電量計(jì)提供了一種方法，可報告不同溫度和負(fù)載條件下能夠釋放到應(yīng)用電路的電池電量。欲了解這種電量計(jì)方法的詳細(xì)內(nèi)容，請參看應(yīng)用筆記131。

表4給出了相對于表1中給出的零電量(0%)點(diǎn)的滿電量點(diǎn)和零電量點(diǎn)，以mAh為單位。Dallas Semiconductor公司的庫侖計(jì)電量計(jì)正是使用表4估算電池可釋放的剩余電量。表5給出了相比20°C時電池滿電量1108mAh的百分比。這些器件的累積電流寄存器(ACR)與各個零電量值相比較，差值被返回作為相應(yīng)溫度和負(fù)載條件下能夠釋放到應(yīng)用電路的電量。

把DS2786報告的剩余電量(表6)與表5中歸一化的滿電量和零電量點(diǎn)進(jìn)行比較，可看出DS2786在每個點(diǎn)報告的剩余電量與采用庫侖計(jì)方法報告的剩余電量相差不大。

表4. 以mAh為單位的滿電量和零電量點(diǎn)

?	Deliverable Capacity (mAh)
?	0°C	10°C	20°C
Full	1061	1096	1108
Empty 600mA at 3.2V	156	58	27
Empty 275mA at 3.2V	56	24	11
Empty 100mA at 3.2V	27	12	7
Empty 5mA at 3.2V	14	8	6

表5. 相對20°C時的滿電量和零電量點(diǎn)

?	Deliverable Capacity (%)
?	0°C	10°C	20°C
Full	95.74	98.87	100.00
Empty 600mA at 3.2V	14.10	5.19	2.43
Empty 275mA at 3.2V	5.08	2.14	1.02
Empty 100mA at 3.2V	2.41	1.09	0.66
Empty 5mA at 3.2V	1.24	0.73	0.51

表6. DS2786報告的剩余電量

?	Remaining Capacity (%)
?	0°C	10°C	20°C
Full	96.5	99.0	100.00
Empty 600mA at 3.2V	16.5	5.0	2.5
Empty 275mA at 3.2V	4.5	3.0	1.5
Empty 100mA at 3.2V	2.0	1.5	1.0
Empty 5mA at 3.2V	0.5	0.5	0.5

附錄B：電池滿充電量的比例縮放

0°C時對電池充電，電池在較低的電量時就會到達(dá)滿電量點(diǎn)。0°C時，電池中存儲的電量為1061mAH；而20°C時，電池中存儲的電量為1108mAH。當(dāng)0°C并且電池滿充時，DS2786將根據(jù)OCV測量結(jié)果報告電池中儲存的電量為其總電量的96.5%。如果還減去275mA零電量點(diǎn)時的4.5%，則0°C時滿充的電池只能以275mA負(fù)載電流向應(yīng)用電路提供電池總?cè)萘康?1.5%。

這是對電池所能釋放的容量占總?cè)萘堪俜直鹊臏?zhǔn)確描述，但對于終端用戶來說，當(dāng)電池滿充卻沒有顯示剩余電量為100%，這將很容易造成混淆。由于1108mAh的電量中只有91.5%可用，因此可以相應(yīng)的縮放所顯示的容量，以顯示在0°C時所存儲的容量中有100%可用。

為此，只需要簡單地把當(dāng)前溫度和相應(yīng)的負(fù)載條件下，可釋放給應(yīng)用電路的電量與可用電量的相比。在本范例中，0°C時，在通信模式下可提供的電量的百分比91.5%與91.5% (滿電量 - 零電量)，即得到100%。當(dāng)DS2786報告剩余電量為20%，我們知道0°C時只能提供滿電量的15.5% (20% - 4.5%)，因此，為了確定0°C時可提供的電量，將15.5%除以91.5%，得到17%。這就是說可向應(yīng)用電路提供0°C時電池電量的17%。通過這種方法就可以解決用戶可能遇到的任何問題。



其中：
CapacityDS2786 = IC報告的相對電量值；
Empty = 相應(yīng)溫度和負(fù)載條件下測得的零電量點(diǎn)；
Full = 相應(yīng)溫度下測得的滿電量點(diǎn)。