应用笔记 7001

确保便携式设备电池拥有增强的安全性、高精度电量状态和更长的运行时间


摘要 :

高精度电池电量状态(SOC)、长运行时间和储存期限以及安全性是设计便携式设备时的关键考虑事项。新型、高度集成电量计IC家族解决了这些电池相关的难题。通过ModelGauge™ m5 EZ算法,MAX17301省去了电池特征分析过程,大大改善上市时间(TTM)。该算法能够高精度预测SOC以及增强安全性。此外,IC的低静态电流允许较长的储存期限和较长的运行时间。电量计和保护控制的集成,增强了安全性,最大程度减少材料清单(BOM)和PCB面积。


引言

传统电量计面临的最大挑战之一是,要想获得最佳的电池SOC精度就要求对特定应用条件下的每个电池进行全面的特征建模和分析(图4)。这就使其难以满足快速TTM目标,因为客户必须要么自己进行复杂的特征分析,要么将电池发送给电量计厂商。最新版本的锂离子电池运输安全规范(例如UN 38.3)将物流工作变得非常麻烦。在收到电池之后,电量计厂商需要花费2至3周的时间进行测试以及分析结果。

系统设计师还必须解决与锂离子电池操作相关的安全风险,处置不当就会造成灾难性后果。符合IEC/UL 62368-1等安全标准越来越重要。电子设备的保护又为电池管理过程增加了额外的复杂性。

对于大批量应用,系统设计师还必须降低售后市场克隆电池的安全风险,这会影响系统安全性。安全认证器可防止此类克隆行为。

最后,最终用户希望系统能够在两次充电之间运行较长的时间(以及保证较长的储存期限)。这时候低静态电流就非常重要,可最大程度减少电池电量的浪费。

本设计方案回顾了运动摄像机(图1)供电面临的挑战,并提出一种能够克服此类困难的创新、高度集成的电量计和保护IC方法。

工作中的运动摄像机. 图1. 工作中的运动摄像机。

SOC精度挑战

电池SOC在0 (电池空电)到100% (电池满电)之间变化,并决定设备的续航时间。电池模型较差带来的严重后果之一就是SOC不准确,进而造成估算的运行时间不准确。典型运动摄像的用例模型包括70分钟的活跃状态(包括4k视频录像、WiFi或GPS等活动)和90天的不活跃状态(例如假期过后束之高阁)。如果设备在活跃模式下的耗流为1300mA,在为期90天的不活跃模式下的耗流为0.1mA,那么将消耗总共1733mAh,正好是最新型运动摄像机电池的大致容量。为避免设备意外或过早停止工作,就必须准确预测电池SOC。10%的SOC误差就会造成173mAhr的偏差,相当于8分钟的活跃时间或2个月的不活跃状态。

The IQ 挑战

虽然看起来有些应用好像不太在乎静态电流,但是许多系统设计师非常注意将电池漏流保持最小,以确保设备在不活跃状态或储存期间不会耗尽电池电量。

非活跃运行时间周期挑战

除SOC和运行时间精度外,运行时间周期也同样重要。在非活跃模式下,相同电池可能维持长达24.1个月。功耗为40µA的典型电量计将缩短大约6.9个月的电池非活跃状态运行时间,这是不可忽略的时间量。

储存期限挑战

A 40µA 静态电流时,12个月将耗费可观的346mAh。另一方面,由于运输安全规范的原因,摄像机电池在运输时可能只有30%或520mAh的电量。在摄像机经过运输以及存放在仓库或货架上12个月之后,静态电流将耗费剩余电量的66%。

面临如此高的静态电流,有两个选择。

一种选择是储存期间保持电量计“打开”,从而保证SOC精度但损失电量。该项选择会造成用户体验较差,因为客户在使用设备之前必须对其进行充电。

另一种选择是关闭电量计。此时能够节省电量,但开机时的SOC不准确。电量计需要经过几小时的时间才能重新学习电池容量状态。此时的风险是用户可能在某个任务中途遇到问题。

安全挑战

锂离子/聚合物电池由于具有极高的能量密度、最小的记忆效应和较低自放电,在各种便携式电子设备中非常普及。但是必须小心谨慎避免此类电池过热或过充,以防损坏电池。这有助于避免危险隐患或爆炸事故。用普通的欠压(UV)保护来停止放电,这样效果不佳,因为它可能被很短的放电脉冲触发。而大多数分立式保护器不监测电池温度。因此,我们需要更严谨的保护方法。

解决方案

图2所示的低IQ独立式电池侧电量计IC为例,器件带有保护和安全认证,适用于单节锂离子/聚合物电池。保护器控制外部高边N-FET (图2)。安全认证可防止电池组克隆。电量计采用Maxim的ModelGauge m5算法。IC监测电压、电流、温度和电量状态,确保锂离子/聚合物电池工作在安全条件,有效延长电池寿命。电量计和保护控制的集成,可以最大程度减少BOM和PCB面积。

电量计和保护IC. 图2. 电量计和保护IC。

非易失存储器允许IC储存电池的电量计和保护参数,也支持老化预测,以估算电池寿命。寿命历史记录功能提供全面的诊断,可以用于了解使用模式、失效分析以及返厂保修。

通过 1-Wire® (MAX17311) 或2线 I2C (MAX17301) 接口访问数据和控制寄存器。IC采用无铅、3mm x 3mm、14引脚TDFN封装和1.7mm x 2.5mm、15焊球、0.5mm焊距WLP封装。

SOC精度

ModelGauge m5算法既有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性,又具有电压电量计出色的长期稳定性。算法采用温度补偿,提供业界领先的电量计量精度。电量计IC在较宽的工作条件下自动补偿电池老化、温度和放电率,并以毫安时(mAh)或百分比(%)提供精确的SOC。

ModelGauge算法利用电池特性和实时仿真估算电池的开路电压(OCV),即使电池带载时也无需检测电阻的帮助。ModelGauge算法利用SOC和OCV之间的关系预测SOC (图3)

基于电压的电量计. 图3. 基于电压的电量计。

带有ModelGauge m5的库伦计

由于库伦计ADC的失调误差,电量计估算的SOC会随着时间推移而偏移理想SOC值。但是,通过使用内部基于OCV (或仅基于电压)的估算,使其与库伦计并行工作,电量计IC可补偿这些误差,使最终的SOC结果回到正轨。该操作每秒执行三次,在电池带载、充电甚至空载时,修正所占百分比非常小(几乎不可见)。这是相对于其他方案的改进,其他方案需要等待,直到电池在空载状态下完全空闲,经过几个小时后才能进行任何修正。

ModelGauge每秒对库仑计误差进行三次修正,每天超过200,000次,采用步长大约0.00001% (图4)。

采用ModelGauge M5算法的高精度电量计. 图4. 采用ModelGauge M5算法的高精度电量计。

不要求针对特定电池特征建模

ModelGauge m5 EZ无需对电池进行特征分析。系统设计师可利用评估软件逐步了解几项应用的详细信息,并在短短几分钟内生成模型,最终大大改进TTM。Maxim已经利用300多种不同电池以及3000次放电进行了仿真,证明该方法在97%以上的测试用例下的误差可低至3%。

长储存期限

A 7µA的 IQ (保护FET关断) 有助于防止电池在较长时间待机状态下漏电,支持较长的储存期限和运行时间。静态电流为7µA时,12个月仅消耗大约电池剩余电量的12%,而之前则消耗66%。

IC也可以置于运输模式,IQ仅为 0.5µA , 储存期限更长。可利用多种方法恢复常规操作状态,包括按下按钮将其打开,或者连接充电器。在恢复常规操作状态时,电量计可立即计算SOC,以及在接下来的1½循环内重新学习电池的满电量状态。

长运行时间

IQ 为 18µA(FET导通) 时,电池的非活跃运行时间从6.9个月下降为只有3.7个月。

增强安全性

IC集成高度可编程保护器控制,防止锂离子电池被异常电压、电流、温度条件所损坏,并确保在较宽范围应用下安全地充电和放电。将保护和计量集成到同一片IC,支持实现更严谨的电池安全保护,同时防止保护器滋扰跳闸。尤其是能够在极短的电池电压暂降期间估算SOC,使IC能够确定是否应该关断或继续操作。

许多电池制造商建议系统充电器随着电池老化而降低充电电压。为实现这一目的,系统微控制器可读取电量计IC的老化和循环次数寄存器。

由于系统微控制器用来控制充电器,所以检测可能会造成充电器工作方式不安全的突然死机非常重要。电量计IC具有看门狗,能够检测微控制器的异常系统状态,通过进入保护模式防止失控的充电器损坏电池。

除主保护器外,如果电池容量较大,许多系统制造商采用辅助保护器作为冗余。但是此类保护器通常仅适用于电压和电流故障条件。电量计可根据附加的温度和电压严重异常条件触发2级保护器,从而完善这一点。包括当检测到主保护器FET已经失效时。这基本上会造成电池因为安全原因而永久禁用。

所有这些增强功能使系统制造商能够更容易地满足最新的产品安全标准,例如IEC 62368-1/UL62368-1。

总结

我们回顾了电量计设计所面临的挑战,包括电池SOC精度、运行时间、储存期限和安全性等方面,提出一种新型、高度集成的IC家族,以及解决这些挑战的方法。通过部署ModelGauge m5 EZ算法,IC省去了电池特征分析过程,大大改善TTM。系统设计师可利用评估套件在短短几分钟内生成模型。该算法能够高精度预测SOC以及增强安全性。最后,电量计IC的低静态电流允许较长的储存期限和较长的运行时间。电量计和保护控制的集成,进一步提高了安全性,最大程度减少BOM和PCB面积。

术语

OCV: 开路电压
SOC: 电量状态。在0 (电池空电)到100%/mAhr (电池满电)之间变化。
Runtime: SOC允许的工作时间。

 

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