解決方案
鋰電池的秘密丨揭秘庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)設(shè)計(jì)攻略...
發(fā)布時(shí)間：
2016-04-18
鋰電池產(chǎn)品具有很高的能量密度，隨著技術(shù)的發(fā)展，能量密度會(huì)進(jìn)一步提升，應(yīng)用前景將更加廣闊。就目前狀況而言，鋰電池產(chǎn)品已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的一部分，從日常生活用的手機(jī)、平板電腦到工業(yè)應(yīng)用的各種手持式便攜儀表均采用鋰電池作為電源。
鋰電池儲(chǔ)能隨著設(shè)備的使用逐漸釋放，需要監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，以便及時(shí)了解電池的剩余電量，在電池耗盡之前及時(shí)為電池充電，估算當(dāng)前工作狀態(tài)下電池還可以維持工作的時(shí)長(zhǎng)(鋰電池過(guò)充和過(guò)放會(huì)影響電池的壽命，嚴(yán)重情況下還可能導(dǎo)致電池爆炸，因此，通常會(huì)采用電池保護(hù)板，這里不討論該部分)。電量計(jì)就是專(zhuān)門(mén)用于監(jiān)視鋰電池狀態(tài)的器件。在討論電量計(jì)之前，先要了解一下鋰電池的特性。
鋰電池的特性
鋰電池存儲(chǔ)的能量和能夠釋放出的能量與溫度有關(guān)，下圖為不同溫度下鋰電池的狀態(tài)圖：
圖1.電池存儲(chǔ)/釋放能量和溫度關(guān)系
從圖中可以看出，在-20℃時(shí)，電池充滿(mǎn)電的電量為大約1150mAh，大電流放電至電池電壓為2.5V時(shí)，電池電量為大約1130mAh，釋放出的電量 為1150-1130=20mAh，由此可見(jiàn)，電池在-20℃時(shí)幾乎無(wú)法釋放電。隨著溫度升高，電池能夠釋放出的能量越多，并且電池能夠存儲(chǔ)的能量也隨著溫度升高有所增加。
隨著充放電周期的不斷增加，鋰電池能夠存儲(chǔ)的能量會(huì)逐漸減少，稱(chēng)之為電池老化。下圖為電池容量與充放電周期的關(guān)系圖：
圖2.電池充放電周期與容量關(guān)系圖
從圖中可以看出，隨著充放電周期的增加，電池的容量逐漸減小，但是，在放電至規(guī)定電壓時(shí)的剩余電量保持不變。
由于鋰電池的這種非線性特性以及與溫度、充放電次數(shù)的相關(guān)性，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)電池電壓來(lái)預(yù)報(bào)電池的電量。利用電量計(jì)器件可應(yīng)對(duì)電池的非線性，對(duì)不同溫度下以及老化程度不同的電池都能正確預(yù)報(bào)剩余電量。
電量計(jì)工作原理
目前電量計(jì)主要包括：基于庫(kù)侖計(jì)計(jì)量的電量計(jì)和基于開(kāi)路電壓檢測(cè)(OCV)的電量計(jì)。
OCV電量計(jì)工作原理
開(kāi)路電壓檢測(cè)電量計(jì)利用電量計(jì)上電時(shí)測(cè)量電池的電壓(通常情況下，電池應(yīng)該靜止足夠長(zhǎng)時(shí)間使電池電壓恢復(fù))，通過(guò)存儲(chǔ)在電池內(nèi)部的電壓和電量對(duì)應(yīng)關(guān)系查找 表來(lái)估算電池的電量，該電量計(jì)和電池的相關(guān)性不大，因此可以用在主機(jī)側(cè)，使用該電量計(jì)的系統(tǒng)可任意更換電池(更換電池的型號(hào)必須一致)。
庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)工作原理
庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)是按照電池電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算電量，電量計(jì)類(lèi)似與一個(gè)蓄水池，充電時(shí)，相當(dāng)于對(duì)蓄水池注水，放電時(shí)相當(dāng)于對(duì)蓄水池放水，蓄水池中剩余的水量就相當(dāng)于電池中剩余的電量，因此，庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)和電池密切相關(guān)，通常，庫(kù)侖計(jì)電量計(jì)放置在電池包內(nèi)，和電池綁定在一起。
電量計(jì)利用外部檢流電阻檢測(cè)電池電流，通過(guò)內(nèi)部ADC將測(cè)量結(jié)果以電壓形式保存在電流寄存器中，然后累計(jì)到電流累計(jì)寄存器(ACR)中，ACR中保存的結(jié) 果是以mVh為單位，因此除以檢流電阻，就可以計(jì)算出電池的絕對(duì)剩余電量，真的這么簡(jiǎn)單??！其實(shí)不然，還有很多問(wèn)題需要解決。
如何確保準(zhǔn)確計(jì)量？
電量累計(jì)是電流對(duì)時(shí)間的積分，那么時(shí)間的精度和測(cè)量電流的精度就決定了電量累計(jì)的誤差，時(shí)基誤差在常溫下小于1%，而且當(dāng)測(cè)量電流為0時(shí)，累積電量也為0，因此，必須調(diào)整測(cè)量電流的精度才能確保電量計(jì)量精確，有哪些因素會(huì)影響電流的測(cè)量精度？外部電阻的精度，測(cè)量電流ADC的增益誤差以及失調(diào)誤差。器件 內(nèi)部用于調(diào)整這些參數(shù)的寄存器分別是：
RSNSP (電阻寄存器)：用于存放檢流電阻值
RSTC (電阻溫度系數(shù)寄存器)：用于對(duì)溫漂較高的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。
COB (失調(diào)電流偏置寄存器)：用于存放ADC測(cè)量電流的失調(diào)值。當(dāng)失調(diào)電流為正時(shí)，該寄存器設(shè)置為負(fù)值。在電流累積時(shí)會(huì)將失調(diào)電流減去。
RSGAIN (電阻增益寄存器)：用于設(shè)置電阻的增益。允許使用低成本電阻，然后通過(guò)該寄存器調(diào)整電阻值，另外，也可以通過(guò)調(diào)整該寄存器間接相當(dāng)于調(diào)整了測(cè)量電流的增益誤差。
另外，還有一些其它的電流，例如器件本身消耗的電流、電池自放電的電流以及一些其它的漏電流，這些電流都不會(huì)流經(jīng)檢流電阻，因此無(wú)法通過(guò)測(cè)量進(jìn)行累積。電流累積偏移(AB)寄存器則用于補(bǔ)償這些電流損耗。
如何應(yīng)對(duì)電量隨溫度的變化？
電量計(jì)內(nèi)部帶有溫度傳感器，可測(cè)量電池的溫度，如果將電池滿(mǎn)電量與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系寫(xiě)入器件，根據(jù)測(cè)量的電池溫度，就能計(jì)算出當(dāng)前的溫度下電池的滿(mǎn)電量，電池在不同溫度、不同的放電電流情況下所能釋放出的電能總量也是不同的，因此，也要將不同電流、不同溫度下電池放空后的剩余電量(該部分電量無(wú)法釋放出來(lái)) 寫(xiě)入內(nèi)部寄存器。電池可以以最大允許放電電流范圍內(nèi)的任意值進(jìn)行放電，如何存儲(chǔ)這么多的放電曲線？幸運(yùn)的是，采用電池供電的系統(tǒng)通常有兩種工作模式：正常工作模式和待機(jī)模式。因此，只需要將這兩種狀態(tài)下的放電曲線(分別稱(chēng)為有效空電量和待機(jī)空電量)保存在內(nèi)部寄存器中就可以了，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為電池建模。
圖3.不同溫度下電池的滿(mǎn)電量和空電量曲線
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