準(zhǔn)確的電池電量計(jì)依賴于了解不同環(huán)境和操作條件下電池行為的幾個(gè)特征。為了收集這些所需的信息，必須在已知條件下對(duì)電池進(jìn)行表征。本應(yīng)用筆記概述了表征電池的分步方法，包括如何收集和解釋數(shù)據(jù)。本文還介紹了如何將數(shù)據(jù)集成到Maxim電池管理器件的評(píng)估軟件中，以便與電量計(jì)軟件算法配合使用。

介紹

為了準(zhǔn)確估計(jì)Li+電池的剩余容量，有必要知道電池如何隨溫度和各種電流負(fù)載而變化。本應(yīng)用筆記概述了一種表征Li+電池的方法，收集和解釋數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加載到Maxim電池管理器件的評(píng)估軟件中，以便與電量計(jì)配合使用。該器件將使用累積電流寄存器（ACR）監(jiān)控流入和流出Li+電池的電流，電量計(jì)會(huì)將ACR與計(jì)算出的電池滿點(diǎn)和空點(diǎn)進(jìn)行比較，以確定剩余容量。

表征Li+電池的程序

1. 確定充放電曲線

表征Li+電池的最佳方法是創(chuàng)建一個(gè)盡可能接近實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境。這包括保護(hù)電路、由應(yīng)用的典型工作和待機(jī)電流組成的放電曲線、充電曲線以及應(yīng)用可能經(jīng)歷的環(huán)境溫度。這需要一種方法來(lái)模擬電池的充電和放電以及改變溫度的能力。通常，用于表征的溫度范圍為0°C至40°C，步長(zhǎng)為10°C。 評(píng)估軟件要求溫度點(diǎn)相距10°C。

有功電流是最終用戶使用應(yīng)用時(shí)從Li+電池汲取的典型電流。待機(jī)電流是應(yīng)用處于空閑狀態(tài)時(shí)從Li+電池汲取的典型電流。

評(píng)估的燃油計(jì)量部分所指的活動(dòng)空點(diǎn)和備用空點(diǎn) 軟件定義為L(zhǎng)i+電池達(dá)到空電壓（由用戶定義）的容量 負(fù)載分別為有功電流和待機(jī)電流?？拯c(diǎn)如圖 1 所示，可在步驟 5 中找到。用戶可以為有功電流和待機(jī)電流負(fù)載定義單獨(dú)的空電壓。滿點(diǎn)定義為充電電路認(rèn)為L(zhǎng)i+電池充滿電的容量。

圖1.降壓放電期間隨時(shí)間變化的電壓和電流。

2. 校準(zhǔn)器件的偏移寄存器

按照特定器件數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)定，將Maxim電池管理器件正確連接到Li+電池后，下一步是校準(zhǔn)器件的失調(diào)。使用針對(duì)所用特定器件的評(píng)估軟件，可以輕松校準(zhǔn)失調(diào)。確保電路上沒(méi)有負(fù)載，然后單擊“儀表”選項(xiàng)卡上的“校準(zhǔn)偏移”按鈕。如果未使用評(píng)估軟件，應(yīng)用筆記224“校準(zhǔn)DS2761的失調(diào)寄存器”中提供了校準(zhǔn)失調(diào)的分步方法。

3. 開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)

使用評(píng)估軟件可以輕松記錄數(shù)據(jù)。只需轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)日志選項(xiàng)卡，將采樣間隔設(shè)置為 15 秒，然后單擊日志數(shù)據(jù)。建議使用 15 秒間隔，因?yàn)樗涗浀臄?shù)據(jù)足以捕獲所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不會(huì)創(chuàng)建太大的文件。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都將記錄到指定的文件名中，直到按下“停止記錄數(shù)據(jù)”按鈕。

4. 在室溫下循環(huán)電池

重要的第一步是闖入細(xì)胞。通常，Li+電池的容量在其生命周期的第一個(gè)周期中會(huì)變化幾個(gè)百分點(diǎn)。建議在表征電池之前，將電池循環(huán) 20 個(gè)完整的充電和放電循環(huán)。此時(shí)不需要記錄數(shù)據(jù)，但這樣做將允許用戶監(jiān)控設(shè)備中在分析最終數(shù)據(jù)時(shí)需要考慮的任何額外偏移。

5. 在最高溫度下開(kāi)始校準(zhǔn)

建議在最高溫度下開(kāi)始表征，因?yàn)橥ǔ＿@是Li+電池具有最大容量的地方，這為其余數(shù)據(jù)提供了良好的參考點(diǎn)。讓電池在最高溫度下穩(wěn)定，然后將電池完全放電到待機(jī)空電量點(diǎn)。接下來(lái)，根據(jù)應(yīng)用程序的充電曲線對(duì)電池充滿電;這將是該溫度的滿分。然后將電池完全放電至用戶定義的有功空電壓下有功電流負(fù)載，以找到有源空點(diǎn)。最后，將負(fù)載更改為待機(jī)電流值，并繼續(xù)將電池放電至待機(jī)空電壓以找到待機(jī)空電量點(diǎn)。

為了加快該過(guò)程，用戶可以選擇將電流從有源電流負(fù)載降壓到待機(jī)電流負(fù)載?？紤]一個(gè)如圖1所示的示例，其中有功電流定義為200mA，待機(jī)電流定義為5mA，空電壓定義為3.3V。在200mA負(fù)載下將電池放電至3.3V以達(dá)到有效空點(diǎn)是可以接受的，然后在允許電池松弛幾秒鐘后，在電池上放置100mA負(fù)載，直到再次達(dá)到空電壓。繼續(xù)將電流負(fù)載降壓至50mA，20mA，10mA，最后降至5mA，直到達(dá)到空電壓，該點(diǎn)將成為待機(jī)空電量點(diǎn)。這將使電池達(dá)到同一點(diǎn)，而無(wú)需在5mA負(fù)載下延長(zhǎng)電池放電所需的時(shí)間。

6. 在每個(gè)溫度下重復(fù)

一旦達(dá)到某個(gè)溫度的待機(jī)空電量點(diǎn)，就轉(zhuǎn)到下一個(gè)溫度并開(kāi)始充滿電。充電完成后，這將是該溫度下的滿點(diǎn)。然后放電到活動(dòng)和備用空點(diǎn)。繼續(xù)此過(guò)程以逐步完成所有所需的溫度點(diǎn)。

從表征數(shù)據(jù)中確定數(shù)據(jù)點(diǎn)

評(píng)估軟件以制表符分隔的格式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄到文本文件中，以便輕松導(dǎo)入電子表格。然后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序或繪制圖形以查找所需的數(shù)據(jù)。

7. 找到所有必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)

然后，用戶可以對(duì)日志文件進(jìn)行排序，并標(biāo)記所有滿點(diǎn)、活動(dòng)空點(diǎn)和備用空點(diǎn)。執(zhí)行此操作的一種簡(jiǎn)單方法是滾動(dòng)數(shù)據(jù)并查看“當(dāng)前”列并注意當(dāng)前讀數(shù)的變化，并在電子表格的未使用列中放置“x”。例如，當(dāng)電流從充電變?yōu)榉烹姇r(shí)標(biāo)記一個(gè)滿點(diǎn)，或者當(dāng)有功電流負(fù)載結(jié)束時(shí)標(biāo)記為活動(dòng)空點(diǎn)，或者當(dāng)電流從放電變?yōu)槌潆姇r(shí)標(biāo)記為待機(jī)空點(diǎn)。然后使用電子表格應(yīng)用程序的自動(dòng)篩選功能輕松查看已標(biāo)記的興趣點(diǎn)。

表1所示為DS2761在表征Li+電池時(shí)收集的數(shù)據(jù)示例，其中感興趣點(diǎn)被濾除并標(biāo)記。本例中使用的充電曲線是900mA的恒流充電，直到電壓達(dá)到4.2V。然后電池以4.2V的恒定電壓充電，直到電流逐漸減小到70mA以下，這被定義為滿點(diǎn)。有效空點(diǎn)定義為3mA負(fù)載下的0.350V。待機(jī)空置點(diǎn)定義為 2mA 負(fù)載下的 7.3V。在40°C、30°C、20°C、10°C和0°C下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了表征。

如果在步驟4中循環(huán)單元格期間記錄了數(shù)據(jù)，則可以比較空點(diǎn)以查看是否存在增加或減少的趨勢(shì)，這將表明當(dāng)前讀數(shù)存在一些偏移。由于循環(huán)是在恒定溫度下完成的，因此如果偏移完全抵消，空點(diǎn)應(yīng)全部對(duì)齊。如果檢測(cè)到偏移，則需要將其作為添加到ACR列的偏移包含在數(shù)據(jù)中，以獲得Li+電池的準(zhǔn)確表征。

表 1.Li+電池的表征數(shù)據(jù)

8. 確定容量數(shù)據(jù)點(diǎn)

用于確定Li+電池在不同溫度下的滿點(diǎn)和空點(diǎn)的數(shù)據(jù)將是日志文件的ACR列中的數(shù)據(jù)。滿點(diǎn)和空點(diǎn)是相對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要引用到一個(gè)固定數(shù)據(jù)點(diǎn)。選擇最高溫度下的待機(jī)空置點(diǎn)作為參考點(diǎn)，因?yàn)樗ǔＪ茿CR在表征過(guò)程中將達(dá)到的最低點(diǎn)（表1中突出顯示了該點(diǎn)）。因此，所有讀數(shù)都將大于此點(diǎn)，以便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

表 2 顯示了表 1 中每個(gè)感興趣點(diǎn)的 ACR 讀數(shù)。選擇40°C時(shí)的待機(jī)空電量點(diǎn)作為參考點(diǎn)，因此所有ACR讀數(shù)都應(yīng)減去71.04mAhrs以確定其他滿電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)。表40顯示了相對(duì)于3°C待機(jī)空電量點(diǎn)的滿電量和空電量的簡(jiǎn)單表，可輕松輸入評(píng)估軟件以存儲(chǔ)在器件中。

表 2.從表1中提取的滿點(diǎn)和空點(diǎn)

表 3.滿電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)以 40°C 時(shí)的待機(jī)空電量點(diǎn)為參考

9. 確定斷點(diǎn)

用于估計(jì)剩余充電時(shí)間的數(shù)據(jù)點(diǎn)是斷點(diǎn)。斷點(diǎn)用于用 2 條線近似充電期間的 ACR 曲線，如圖 2 所示。用戶選擇斷點(diǎn)作為 ACR 曲線“中斷”的點(diǎn)，以便 2 線近似具有最小的誤差。

圖2.在 2°C 下充電期間隨時(shí)間變化的 ACR 和 20 線近似值。

確定斷點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是繪制充電期間隨時(shí)間變化的 ACR，并直觀地確定曲線突破的位置。建議從中間溫度中選擇 ACR 曲線，并將該斷點(diǎn)用于所有溫度。斷點(diǎn)將存儲(chǔ)為小于滿點(diǎn)的 mAhrs 數(shù)。在圖2中，斷點(diǎn)比滿點(diǎn)小約100mAhrs。

10. 確定充電時(shí)間估計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)

FuelPack 算法需要斷點(diǎn)和每個(gè)溫度下從空到滿的分鐘數(shù)以及從斷點(diǎn)到滿點(diǎn)的分鐘數(shù)，以返回剩余充電時(shí)間的準(zhǔn)確估計(jì)值。有必要返回?cái)?shù)據(jù)并標(biāo)記所有斷點(diǎn)。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單地找到完整點(diǎn)并返回在步驟 9 中選擇作為斷點(diǎn)的 mAhr 數(shù)來(lái)完成。

從表1中的數(shù)據(jù)中，獲取前一個(gè)溫度（即充電開(kāi)始時(shí)）下每個(gè)待機(jī)空電量點(diǎn)的時(shí)間戳、斷點(diǎn)和滿電量點(diǎn)，如表4所示。表 4 還顯示了每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的 ACR。然后使用這些時(shí)間戳計(jì)算每個(gè)溫度下空點(diǎn)和滿點(diǎn)之間的分鐘數(shù)以及斷點(diǎn)到滿點(diǎn)，如表 5 所示。評(píng)估軟件的電量計(jì)算法僅為 3 個(gè)溫度的充電數(shù)據(jù)分配足夠的 EEPROM，因此應(yīng)將 0°C、20°C 和 40°C 的數(shù)據(jù)寫入器件。

表 4.每個(gè)溫度下待機(jī)空點(diǎn)、中斷點(diǎn)和滿點(diǎn)的時(shí)間戳

表 5.估計(jì)剩余充電時(shí)間所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)

將數(shù)據(jù)編程到設(shè)備并啟動(dòng)電量計(jì)

11. 使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程

使用評(píng)估套件使用表3和表5中的數(shù)據(jù)對(duì)器件進(jìn)行編程。手動(dòng)將該數(shù)據(jù)輸入到“包裝信息”選項(xiàng)卡的“燃油計(jì)量數(shù)據(jù)”子選項(xiàng)卡的文本框中，如圖 3 所示，然后單擊“寫入”按鈕（未顯示）。數(shù)據(jù)將被寫入設(shè)備的暫存器，然后復(fù)制到EEPROM。

圖3.將燃油測(cè)量所需的數(shù)據(jù)加載到評(píng)估軟件中。

12. 同步 ACR

準(zhǔn)確報(bào)告Li+電池容量的最后一步是將設(shè)備的ACR與電池容量同步。一種簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)應(yīng)用的充電曲線對(duì)Li+電池充滿電，然后將ACR設(shè)置為該溫度下的滿點(diǎn)。要使用評(píng)估軟件執(zhí)行此操作，請(qǐng)單擊“電量計(jì)”選項(xiàng)卡上的“啟動(dòng)電量計(jì)”按鈕啟動(dòng)電量計(jì)，如圖 4 所示。充電完成后，單擊“電量計(jì)”選項(xiàng)卡上的“滿”按鈕，ACR 將與電池的容量同步。

圖4.評(píng)估軟件的燃油測(cè)量選項(xiàng)卡。

總結(jié)

Maxim電量計(jì)算法提供了一種精確的方法來(lái)跟蹤Li+電池在電池由應(yīng)用充電和放電時(shí)的容量。這需要了解電池的容量以及它在應(yīng)用可能經(jīng)歷的各種負(fù)載和溫度下的行為。使用Maxim提供的評(píng)估軟件采集并存儲(chǔ)特性數(shù)據(jù)后，電量計(jì)將準(zhǔn)確估算電池的剩余容量。

審核編輯：郭婷