应用笔记 3958

电池电量计:以精度制胜

By: Reinhardt Wagner

摘要 : 电池电量计用于确定可充电电池中的剩余电量以及在特定工作条件下电池还能持续供电的时间,本应用笔记讨论测量锂离子电池剩余电量所面临的挑战以及面对这些挑战所采取的不同方案。

引言

移动电话问世后,可充电电池及其相关的电量指示已成为我们信息社会的一个组成部分。对我们而言,它们就像在过去100年里发挥着重要作用的汽车燃料指示器一样重要,唯一不同的是:司机不能容忍的是不准确的燃料指示,而手机用户则寄希望于得到高精度、高分辨率的指示器。通过简单的方法无法实现高精度电量计量,只有从正确的方法入手才有可能获得高精度。

锂离子电池

在解决了诸多技术问题后,直到1997年锂离子电池才开始大批量生产。因为可以提供最高的能量密度(体积密度和重量密度,见图1),它们被广泛用于从移动电话到电动汽车的各种系统。

图1. 各种电池类型的能量密度
图1. 各种电池类型的能量密度

锂电池具有一些影响电量的关键特性,电池组必须包含各种安全机制,以防止电池过充电、深度放电或反向连接。由于锂元素非常活跃,有潜在的爆炸危险,因此锂电池不可暴露于高温环境。

锂离子电池的阳极由碳化物组成,阴极由金属氧化物组成,并且采用对晶格破坏最小的方式添加锂,这个过程被称为植入。金属锂会与水发生强烈的反应,因此锂电池采用非液态的有机锂盐作为电解质。对锂电池充电时,锂原子在阴极离子化,并通过电解质传递至阳极。

电池容量

电池最重要的参数(除了电压之外)是容量(C),单位为mA时,其定义是电池可提供的最大电量。制造商定义的容量为电池在特定放电条件下的值,但是电池出厂后,容量会发生变化。

图2. 温度对电池容量的影响
图2. 温度对电池容量的影响

电池容量与电池温度有关(图2),最上方的曲线显示了锂电池在不同温度下恒流恒压充电的过程。从该曲线可以看出,与-20°C下的充电数据相比,电池在较高温度下大约可以多充入20%的电量。

图2下方的两条曲线表示,电池放电时受温度的影响更大,这些曲线显示了一个完全充满的电池在两种不同放电电流下放电到截止点2.5V时的剩余电量,从这两条曲线可以看出电池剩余容量与放电电流、温度有关。在给定温度和放电速率下,所能获得的锂电池容量是最上方曲线与下方对应曲线的差值。因此,在低温或大电流放电时,锂电池所能提供的容量将大幅减少。在低温或大电流放电时,电池剩余电量较大,能够在相同温度下以较小的电流放电。

自放电

由于电解质中混有杂质,电池内部存在不期望的化学反应,造成电量损失。常见的电池类型在室温下的典型自放电率如表1所示。

表1. 自放电率
Chemistry Self-Discharge/Month
Lead-acid 4% to 6%
NiCd 15% to 30%
NiMH 30%
Lithium 2% to 3%

化学反应的速度受温度影响,因此自放电与温度有关(图3)。对于不同类型的电池,自放电可以用一个并联电阻消耗漏电流进行建模。

图3. 锂离子电池的自放电
图3. 锂离子电池的自放电

老化

电池容量随着充放电次数的增加而减少(图4),这种变化被量化为工作寿命,即一个电池在其容量降至初始容量80%之前的充/放电次数。典型锂电池的工作寿命为300至500次充/放电次数。

锂电池寿命还受时间的影响,无论使用与否,其容量在出厂后即开始逐渐下降。25°C时,这种效应可以导致一个完全充满的电池每年损失20%的电量;40°C时损失35%。对于没有完全充满电的电池,这种老化过程较为缓慢:25°C时,残余有40%电量的电池每年损失大约4%的电量。

图4. 电池老化
图4. 电池老化

放电曲线

电池的数据资料规定了特定条件下的放电特征曲线,其中一个影响电池电压的因素是负载电流(图5)。不幸的是,负载电流无法通过一个简单的源电阻建模,因为该电阻取决于其它参数,比如电池老化程度和电量水平。

图5. 电池放电曲线
图5. 电池放电曲线

与原电池相比,可充电锂电池表现出非常平坦的放电曲线。系统开发人员比较青睐这一特性,因为电池所提供的电压大致不变。然而,随着电池的放电,电池电压几乎与剩余电量没有关联。

精确测量充电电压

为了确定电池的可用电量,首先要求使用简单的检测方法,检测电路仅消耗微量功耗,允许用户从电池电压推算出电量水平(理想化)。然而,由于电压与电量之间不存在明确的关系(图5),只是检测电池电压所能提供的结果并不可靠。另外,电池电压还依赖于温度以及动态释放效应(降低负载电流时会使端电压轻微回升)。因此,单纯的电压检测方案很难保证电量监测精度高于25%。

电量的相对水平,通常称为充电状态(SOC),是指剩余电量与电池容量的比。该参数的确定需要监测流入、流出的电荷量—一种所谓的“库仑计”法。实际的库仑计是通过对流入、流出电池的电流进行累计计算实现的。用高分辨率ADC测量该电流时,通常需要使用一个小电阻与电池阳极串联。

电量分析

由于无法确定电池充电状态(SOC)与上文提到的一些参数之间的函数关系,电池容量还要依靠经验确定。目前还没有详尽的分析模型(具有足够精度)用于计算特定工作条件下(例如温度、充电次数、电流等)的容量。理论模型仅适用于确定条件,为了得到相对充电水平,这些模型用于特定条件并进行整体校准。

为了达到足够高的电量计量精度,必须不断地对模型参数进行校准—采用所谓的电量“学习”方式,配合库仑计,这种方法可以使电量计量精度达到几个百分点以内。

电量计量方案选择

对于不同类型、配置和应用中的可充电电池,现代集成电路都可以确定其充电状态(SOC)。尽管消耗少量的电源电流(工作模式消耗60µA,休眠模式消耗1µA),这些芯片仍可获得较高的精度。电量计芯片分为三种类型(表2),因为锂电池是多数应用的首选,这里例举了锂离子和锂聚合物电池的电量计量电路。

表2. 电量计电路
Part Type of Fuel-Gauge IC Function in Battery Pack Function in Host System
DS2762 Coulomb counter Measurement Algorithm + display
DS2780 Fuel gauge Measurement + algorithm Display
MAX1781 Programmable fuel gauge Measurement + flexible algorithm Display

库仑计,有时也就是大家所熟知的电池监测器,用于测量、计数和电池参数的转换,包括电量、温度、电压、充电次数以及使用时间等参数。库仑计无法测量变量,还没有智能化。这类芯片中的DS2762包含了高精度的25mΩ检流电阻,还可监测温度、电池电压和电流,并通过1-Wire®总线进行通信,允许电池组或主机系统中的微控制器读取所有数据。可以组成一个灵活的低成本系统,但需要了解相当多的背景知识,并进行一定的开发工作,通过IC供应商提供的软件、模型和支持可以降低开发成本。

另一种方法是使用电量计计算库仑量,这种完备的集成方案可以运行带学习算法的电量计量,并可完成所有必要的测量。智能电池通常采用电量计进行自动监测,使用集成电量计所需的开发工作较少,有助于缩短产品上市时间。DS2780即属于完全集成的电量计,允许主机通过1-Wire总线读取充电状态(SOC),并为锂电池提供必要的安全保护电路。

另一种选择是采用可编程电量计,这种电量计包括微控制器,可以提供相当大的灵活性。例如MAX1781,内部集成了RISC核、EEPROM和RAM。开发者可以实现电池建模、电量计编程和必要的测量。简单、精确的充电状态(SOC)指示可以通过内部LED驱动器实现。

结论

受多种相互关联的参数的影响,对于可充电电池的电量计量成为一项复杂任务。简单的测量无法提供准确的结果,仅适用于一些不重要的应用场合。通过使用现成的电量计芯片,可以实现高精度、可靠的电量计量。

类似文章发表在Battery Power Products and Technology 2006年9月刊。

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