应用笔记 2412

获取电量计应用中的锂电池特性


摘要 : 精确的电池电量计量应建立在对在不同工作环境和条件下的电池各种特性的充分了解的基础上。要获取这些信息,应该在已知的条件下准确测试电池的各种特性。本应用笔记叙述了获取电池特性的步骤,包括如何采集数据以及如何处理数据。文章还同时阐述了如何借助电量计软件的算法,将数据载入Maxim电池管理器件的评估软件。

引言

要精确估算Li+电池的剩余电量,有必要了解电池特性如何随着温度和负载电流的变化而改变。本应用笔记介绍了一种获取Li+电池特性的方法,讨论了如何采集并处理数据,并将数据载入Maxim电池管理器件的评估软件,用于电量计应用中。器件通过累积电流寄存器(ACR)监视流入和流出Li+电池的电流,并将ACR的数据与已计算出的电池满电量和空电量进行比较,从而确定剩余容量。

获取Li+电池特性的步骤

1. 确定充电和放电曲线

获取Li+电池特性的最好办法是创造一个尽可能与实际应用相类似的环境。其中包括保护电路、放电曲线(包括实际应用中有效电流和待机电流的典型值)、充电曲线、及应用的周围环境温度。因此要求对电池充电和放电过程进行模拟,并且要相应调整工作温度。通常情况下,应该以10°C为步长,在0°C至40°C范围内获取各种电池特性参数。同时,评估软件所要求的温度点间隔也是10°C。

有效电流指用户使用过程中Li+电池的典型输出电流。待机电流指空闲状态时Li+电池的典型输出电流。

评估软件电量计部分中Active Empty和Standby Empty分别对应Li+电池以有效电流放电和待机电流放电到空电压(由用户定义)的点。空电量点如图1所示,相关说明见步骤5。用户可以定义不同的有效空电量点和待机空电量点。充电电路将Li+电池充分充电的点定义为满电量点。有关使用内置电量计的Maxim电池管理器件的详细说明,参见应用笔记131:Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Maxim Battery Monitor ICs

图1. 逐步放电过程中电压与电流的关系
图1. 逐步放电过程中电压与电流的关系

2. 校准器件的失调寄存器

根据器件数据资料的说明,将Maxim电池管理器件与Li+电池正确连接后,应校准器件的失调。借助于所选器件的评估软件,可以很容易的对器件的失调进行校准。确认电路中没有接入负载,然后点击Meters标签中的Calibrate Offset按钮。如果不使用评估软件,可根据应用笔记224:Calibrating the Offset Register of the DS2761,逐步校准失调。

3. 开始记录数据

使用评估软件可以很容易的记录数据。只需进入Data Log标签,设置Sample Interval为15秒并点击Log Data。建议采用15秒的间隔时间,因为该时间间隔可以保证在不生成太大文件的前提下,能记录所有需要数据点。所有实时数据将被记录在指定的文件中,直到点击Stop Logging Data按钮。

4. 在室温下激活电池

首先必须对电池进行激活(break-in)。通常,在Li+电池寿命的初期其容量将有百分之几的波动。因此,建议在测试电池特性之前使其经过20次完全充放电周期。在这一过程中无需记录数据,但如果进行数据记录有助于用户监视其他电池失调参数,以用于最终数据分析。

5. 从最高温度开始校准

通常建议从最高温度开始测试电池的特性,因为此时Li+电池容量最大,适合作为其他数据的参考点。设定电池工作在最高温度下,将电池充分放电至待机空电量点。随后,根据实际应用要求的充电曲线对电池充分充电,这一点对应的是该温度下的满电量点。之后,将电池以有效电流充分放电至用户定义的有效空电压,以确定有效空电量点。最后,将负载变为待机电流并继续放电,直至电压降到待机空电压,以确定待机空电量点。

如果想加速该过程,用户可以将电流从有效电流逐步降低至待机电流。如图1所示,设定有效电流为200mA,待机电流为5mA,两种情况下的空电压均定义为3.3V。采用200mA的电流将电池放电至3.3V,使电压降到有效空电量点,然后,经过几秒钟后,再以100mA的电流对电池放电,使其再次达到空电压点。随后放电电流逐步降低,从50mA、20mA、10mA到5mA,直至最后电池电压稳定在空电压,该点即为待机空电量点。这样,不需要经过漫长的5mA放电过程,即可使电池快速达到相同的空电量点。

6. 在各个温度下重复操作

一旦到达某一温度的待机空电量点,立即转入下一个温度,并开始对电池充电直至电池满充。充电完成后即到达该温度的满电量点。然后将电池放电到有效空电量点和待机空电量点。在所有需要的温度上重复上述操作,完成对电池特性的测量。

从特性参数中筛选关键数据点

评估软件将实时数据以带制表分隔符的格式记录在文本文件中,方便导入电子表格。然后可以通过分类或绘制图表的方式,筛选出所需要的数据。

7. 找出所有需要的数据点

用户可以对记录文件里的数据进行分类,标记出所有满电量点、有效空电量点以及待机空电量点。完成上述过程的简单办法是,浏览所有数据,查找Current列并观察电流读数的变化情况,并且在电子表格中没有用到的列插入“x”。例如,当电池从充电状态变为放电状态时,记为满电量点;当电池停止以有效电流放电时,记为有效空电量点;当电池从放电状态变为充电状态时,记为待机空电量点。然后通过电子表格的自动筛选(AutoFilter)功能,可以很方便地查看各个重要的标记点。

表1给出了获取 Li+电池特性时,使用DS2761采集数据,经过筛选后,标记出的各个重要数据点的范例。本例中,电池以900mA的恒定电流充电,直至电压达到4.2V。然后继续充电保持电池电压稳定在4.2V,直到电流逐渐降至70mA,该点即为满电量点。电池以350mA电流放电,直至电压降到3.0V,这一点对应有效空电量点。电池以3mA电流放电至电压降到2.7V,这一点则对应待机空电量点。分别在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下获取电池特性参数。

如果在步骤4的电池激活过程中记录了数据,可以对空电量点进行比较,以判断其是否有增加或减少,进而判断电流值是否存在失调。因为是在恒温条件下完成这一激活过程,所以如果不存在任何失调,则所有空电量点将完全相同。如果存在失调,则应该根据ACR列所引入的失调对数据进行响应的修正,从而准确测量Li+电池特性。

表1. Li+电池特性参数
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. 确定电池容量的相关数据

通过记录文件ACR列的数据,可以确定不同温度下Li+电池满电量点和空电量点。满电量点和空电量点只是一个相对值,需要选择一个固定参考点。选择最高温度下的待机空电量点作为参考,因为该点往往是获取电池特性参数过程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此,所有读数均大于该点的值,易于进行数据存储。

表2列出了表1中所有重要的ACR值。选择40°C时的待机空电量点作为参考点,将其他所有ACR值减去71.04mAhrs,以得出其他点的满电量和空电量点。表3列出了以40°C待机空电量点为参考点的所有满电量和空电量点的值,可以通过评估软件很方便的将这些数据存储到器件中。

表2. 表1中的满电量和空电量点
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的待机空电量点为参考点的满电量和空电量点
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. 确定转折点

转折点是用于估计充电剩余时间的重要数据点。借助转折点,采用2分折线来近似充电期间的ACR曲线,如图2所示。转折点由用户选择,应保证由转折点所确定的2分折线与实际的ACR曲线之间具有的误差最小。

图2. 20°C下充电时ACR曲线和2分折线近似的关系
图2. 20°C下充电时ACR曲线和2分折线近似的关系

确定转折点的最简单方法是:绘出充电期间的ACR时间曲线,观察曲线在何处发生转折。建议选择ACR曲线的中间温度作为转折点,同时所有温度均选择该点作为转折点。该转折点以低于满电量电多少mAhrs表示。图2中,转折点约比满电量点低100mAhrs。

10. 确定各个点的充电估计剩余时间

FuelPack算法要求提供转折点、所有温度下从空电量点到满电量点的时间以及所有温度下从转折点到满电量点的时间这一系列数据,以实现剩余充电时间的精确估算。因此,需要对数据进行分析并筛选出所有转折点。可以找出所有满电量点,减去步骤9中所选的转折点的mAhrs值,即可以很简单的找出转折点。

从表1中的数据中,取前一个温度点的待机空电量点的时间(开始充电的时间)、转折点的时间以及满电量点的时间,制成表格如表4所示。表4也给出了每个点的ACR值。 然后,根据记录的时间可计算每一温度下从空电量点到满电量点的时间,以及从转折点到满电量点的时间,如表5所示。评估软件的电量计算法只为3个温度点的充电数据分配了足够的EEPROM,因此选择将0°C、20°C及40°C的数据写入器件。

表4. 各个温度下待机空电量点、转折点及满电量点发生的时间
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. 估算各个点的充电剩余时间
Temperature 0 20 40
Empty to Full (minutes) 120 95 88
Break to Full (minutes) 45 34 29
Break Point (mAhrs) 100    

将数据写入器件并启动电量计量

11. 将相应的数据写入器件

将表3和表5中的数据通过评估板写入器件。将数据手动输入到Pack Info标签中Fuel Gauging Data子标签的文本框,如图3所示, 并点击Write按钮(图中未显示)。 数据将被写入器件的暂存器,并随后被复制到EEPROM。

图3. 把电量计所需的数据导入评估软件
图3. 把电量计所需的数据导入评估软件

12. 同步ACR

准确测量Li+电池电量的最后一步是实现器件的ACR值与电池电量的同步。完成该程的简单方法是,根据实际的充电特性曲线对Li+电池充分充电,然后将该温度的ACR设置为满电量点。用评估软件实现时,先点击Fuel Gauging标签上的Start Fuel Gauging按钮启动电量计量,如图4所示。充电完成后,点击Fuel Gauging标签中的Full按钮,即实现ACR与电池电量的同步。

图4. 评估软件的Fuel Gauging标签
图4. 评估软件的Fuel Gauging标签

有关电量计数据的详细信息,请参见应用笔记131:Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Maxim Battery Monitor ICs

总结

当对Li+进行电池充放电时,Maxim电量计算法可以准确跟踪电池电量。这需要了解电池电量特性的相关信息,以及实际应用中电池在各种负载和温度条件之下所表现的特性。只要使用Maxim所提供的评估软件测量并记录电池的特性数据,就可用电量计准确地估算电池的剩余电量。


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