電池設(shè)備的普及應用

從手機電腦、電動自行車、電動工具，再到新能源汽車、醫(yī)療儀器、工業(yè)設(shè)備，電池已經(jīng)成為越來越多電子產(chǎn)品的標配部件。尤其是輕便的鋰離子電池的誕生，讓所有設(shè)備脫離電源線成為了可能。這些設(shè)備可以顯示當前的剩余電量或運行時間，這是產(chǎn)品使用中最重要的用戶體驗之一。

隨著時間的推移，我們能夠明顯感受到，電池始終是會越來越不耐用的。有時候，這會形成一種 “續(xù)航焦慮”，例如，雖然設(shè)備顯示剩余 “10%” 的電量，然而它可能在下一秒就立刻關(guān)機了。在很多高功率多電池的設(shè)備中，如果用戶沒有足夠及時發(fā)現(xiàn)電池電量耗盡，就可能會出現(xiàn)十分危急或嚴重的后果，例如臨床醫(yī)療儀器的突然斷電會危及病人生命、工廠儀器的突然宕機會造成產(chǎn)線緊急關(guān)停。

如下圖 (圖1) 所示，為某型號鋰離子電池的循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系，可以明顯看到，充放電約深度，電池可使用的壽命越短。在日常的產(chǎn)品設(shè)計中，我們很難去約束客戶的充放電習慣，因此電池壽命往往是不可提前預測的，必須通過行而有效的電氣測量手段測量。

圖1 鋰電池的循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系

如何精準地測量電池剩余電量、預測電池真實續(xù)航能力，是電子工程界一直致力解決的技術(shù)問題。由于電池是一種不穩(wěn)定的電化學系統(tǒng)，對它的準確電參數(shù)采集就至關(guān)重要，實現(xiàn)電量監(jiān)測功能顯然需要精密且專用的模擬電路方案。

高集成化電量監(jiān)測

除了充電、保護和電池平衡電路外，電池電量測量也是智能多電池系統(tǒng)中常見的功能之一。無論是什么樣的電池供電設(shè)備，涉及電池的電路系統(tǒng)都面臨著一系列獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)，因為電池的電氣性質(zhì)總是在變化。例如，電池的最大容量 (也稱為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率總是隨著時間的推移而降低，而充電和放電速率也會隨著溫度的變化而變化。精心設(shè)計的電池系統(tǒng)可以不斷地動態(tài)處理這些參數(shù)變化，以便為使用者提供一致且準確的電池性能變現(xiàn)參數(shù)。對應到實際體驗中，我們就可以準確輸出一些指標，讓產(chǎn)品更具 “高級感”，包括：

當前剩余充電時間

當前系統(tǒng)續(xù)航時間

預期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))

從目前電子行業(yè)的主流技術(shù)來看，準確的電池電量測量功能，需要一個精準的電池庫侖計 IC 和相關(guān)的電池專用模型，最終系統(tǒng)是需要形成一個關(guān)鍵參數(shù)——荷電狀態(tài) (SOC)。SOC 是指電池使用一段時間或長期擱置不用后，剩余容量與其全新且完全充電狀態(tài)時的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為，SOC 是當前電池容量占最大容量的百分比。雖然市面上有一些電量計 IC 集成了電池模型和算法，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細分析就會發(fā)現(xiàn)，這些 IC 往往會以犧牲準確性為代價，以簡化 SOC 的估計算法。

如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號 LTC2944 的庫侖計，它可以支持到最高 60V 的電池電壓，它提供的是最基本的精準庫侖計方案，再由用戶根據(jù)實際使用的電池模型進行電量估計運算，實現(xiàn)電量計功能。這是一種嚴謹?shù)募夹g(shù)提供方式，將不確定因素開放給用戶，以更自由地使用器件，兼容更多高精確度應用，下篇文章中將進行進一步探討。

圖2LTC2944 60V庫侖計方案

電量測量的原理

目前的研究表明，精確的庫侖計數(shù)、電壓、電流和溫度是準確估計 SOC 的先決條件，迄今為止，行業(yè)內(nèi)能夠做到的 SOC 估計誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所示是各種電池的典型充放電曲線，在傳統(tǒng)的電壓型電量估計方法中，最困難之處就在平坦充放電區(qū)間的電量估計，因為這時電池電量的變化只會帶來很小電壓變化，于是會出現(xiàn)系統(tǒng)在很長一段時間內(nèi)報告 75% 的 SOC，然后卻突然下降到 15% 的 SOC。

庫倫計數(shù)的方式，能夠很精確地確定當前電池處于曲線哪個位置，尤其是平坦區(qū)的位置。具體的方法是：

當電池充滿電時，用戶將庫侖計數(shù)器初始化為已知的電池容量。

在釋放庫侖時遞減計數(shù)或在充電庫侖時遞增計數(shù) (能適應只充一部分電的情況)。

這種方案最大的優(yōu)勢在于，這種電量計算方式不需要知道電池的化學成分。由于 ADI LTC2944 集成了庫侖計數(shù)器，因此這款 IC 可以輕松地用于多種電池設(shè)備，與電池的化學性質(zhì)無關(guān)。

圖3 各種類型電池的典型充放電曲線

在電路系統(tǒng)得到庫倫計數(shù)數(shù)據(jù)之后，軟件算法上，要根據(jù)電池模型進行數(shù)學換算，以確定 SOC 的值，如下圖 (圖4) 所示的是一種經(jīng)典的電池模型，涉及到串聯(lián)并聯(lián)的多個參數(shù)，實際上，這里還沒有考慮比較重要的溫度參數(shù)影響。模型分析與換算的方法是專業(yè)領(lǐng)域知識，在此不進行贅述，但可以確定的是，這個模型最基本要獲知的就是電壓、電流以及庫侖計數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)。若您對此技術(shù)感興趣，希望進一步了解和討論，可以聯(lián)系駿龍科技的技術(shù)人員。

圖4經(jīng)典的電池模型

本文提到的 LTC2944 能夠以行業(yè)內(nèi)最高精度的水平，提供這些數(shù)據(jù)，作為用戶進一步算法的支撐，那么 LTC2944 的工作原理是什么？又如何保證高精度？這些內(nèi)容將會在下篇文章《高至 60V 的精密電池電量監(jiān)測(下)》中詳細論述。

總結(jié)

電池已經(jīng)無處不在，而設(shè)計出優(yōu)秀使用體驗感的電池系統(tǒng)是非常有挑戰(zhàn)的工作。從電池真實剩余容量角度出發(fā)，目前電子行業(yè)內(nèi)最準確的檢測方法是基于庫侖計原理，這涉及到多種參數(shù)的采集和專業(yè)的模型換算，然而，這一切的基礎(chǔ)是提供精準的電壓電流、工作溫度、庫侖計數(shù)參數(shù)。本文提出的 LTC2944 的高性能方案，能夠?qū)崿F(xiàn)這些基礎(chǔ)參數(shù)，為用戶打造高性能電池監(jiān)測系統(tǒng)奠定堅實基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清