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电池电量计的新进展
发布时间:2021-02-15
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电池电量计的新进展
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最初面世的电池电量计是以库仑计量法为基础的,采用这样的计量方法有着很坚实的理论依据,因为对电流积分便可得到电量是个很基础的物理常识,顺着这个思路得到产品也就很正常了,只是这样的操作存在一个问题,你得知道积分的零点在哪里,也需要知道积分的满点在哪里,这样才能得到准确的计量,知道每个时刻点的电池储能状态在其整个容量当中所占的比例即荷电状态(SoC,State ofCharge)。由于知道库仑计量法的原理,我在很多年前开始使用第一台智能手机的时候就会经常去做一个动作,把电池电量用尽关机以后再给它充电到满电,目的就是告诉它零点是什么,满点又是什么,否则就会常常出现可能显示还有 10% 电量时就突然关机了的问题。

显示电量还有 10% 就突然关机,其中涉及的实际情况是电池实际电量已经支撑不住它的外显电压了,系统因为电池电压太低而主动关机,而这时候它所使用的电量计所报告的电量还能支撑它工作很久,于是两者之间就发生了矛盾,最终取胜的当然是物理限制本身,可以任意被人支配的数据在这时候是一点也没有意义的。这样的状况如果是发生在一台设计良好的系统里,它便能从断电关机这一事实得到电池电量实际零点的位置,为它的下一个计量周期做好最充分的准备,使下一次的计量更准确一点,而这也就是我主动让手机工作到主动关机为止的理论依据。

库仑计量法导致电量计算误差是有原因的,一是电池本身的特性在随着环境、时间的影响而发生变化,这些变化都可以从其内阻的变化上反映出来;二是电池本身存在自放电,在电池外接电路上进行电流测量根本就不能反映这个部分的影响;三是信号采样的误差,因为没有任何数模转换器能够准确反映现实世界的模拟信号本身,就像国家统计局发布的 GDP 数据没有办法将我家请一个钟点工的劳动报酬反映出来一样,而同样的问题在所有的数模混合系统中都是存在的,所以我们能得到的数据都只能作为参考,不能当作是真的;四是任何数模转换系统都不能以连续的方式收集到每时每刻的电流信息,采样只是在某些时间点上进行的,这样便不能反映实际电流的全部信息。这些问题不仅会导致库仑计量法在每一个当下的计量误差,由于采用积分运算的缘故,它们还会被累积起来,时间越长便会发生越大的影响,而像我那样时不时地来一次清零的动作就是在帮它做出重新的标定,尽可能使它回到离原点最近的地方。

我在工作中最初与电量结缘是因为要为使用锂离子电池的 MP3 等设备提供一个可以代替 A/D 转换器的低成本方案,那时利用的是可以由用户自行设定检测阈值的电压检测器 RT9801B,你只需要改变它几个输入端的状态就可以达到目的,非常方便与 GPIO 端子有很多富余的数字系统连接,最终带来降低系统成本的效果。这种方法能够实施的原因从两个数据可以看出来,其一是电池的放电曲线:

其二是 RT9801B 的电压检测阈值与其阈值设定端之间的关系:

系统设计者只需要根据已经知道的当前电池电压区间设定好新的电压检测阈值,当电池电压变化到这个阈值的时候,RT9801B 输出端的状态就会发生变化,这样便知道电池电量已经到了新的水平了,随即改变显示在屏幕上的图标状态即可让用户知道当前的电池荷电情况。这种做法对电量的测量很不精确,但是已经可以满足当时的需要了,所以是可以被接受的,实际上就是到了今天也还有很多设备是这么做的,我最近购买的一台洗车机就是这样的电量显示方式,对我来说觉得已经够用了。
锂离子电池的外显电压与其实际电量之间的关系并不是完全一一对应的,这与实际的负载情况有很大的关系,但是如果将电池开路电压、实际电压与其储能之间的关系联系起来做成算法,还是可以比较准确地计算出电池的荷电状态,只不过由于缺少电流信息,实际的电池电量不能得出,能给出的是电池储能的相对状态,而且精度还很高,立锜的第一代电量计产品便是这样做的,下面的数据可以告诉你它的精度水平:最大误差可以做到 ±3% 以下。

由于只需测量电压便可以获得电池荷电状态信息,这种电量计的应用电路便非常简单:

这给它带来一个好处:只要将电量计和电池连接在一起,电量计很快就可以得出电池的荷电状态信息,无需经历电池完全放电和充满电的过程,因此在使用上就可以和电池分离,使电池成为可以随时取出、随时接入的部件,所以就可以被安装在系统板上而不用像库仑电量计那样必须装在电池包里。

仅仅利用电压信息计算电池荷电状态,最大的缺点是不能获得具体的电池电量信息。假如在此基础上再加入电流信息和电池的容量信息,此两者便成为以电压为基础的电量计的补充资料,既能获得电池的实际电量,又能对荷电状态的计算误差进行修正,将计量准确性提高到一个全新的水平:<±1%,具体数据可参看下图:

因为要测量电流,加入电流检测电阻就是必要的了,于是形成了全新的应用电路图:

在上图中,电流检测电阻连接在 RT9426 的 CSP 和 CSN 之间。为了提高安全性,RT9426 还加入了温度检测电路,可在温度超过容许范围时及时通知系统停止充电、放电等操作。
新功能的加入会让电路变得复杂,但是这种付出是有价值的。如果你对型号为 RT9422A 的全新电量计产品进行探索,会发现它有更显复杂的应用电路:

因为它又加入了第二级安全控制电路,可在紧急状况下切断外接熔丝,使电池和外接电路的连接彻底断开以确保安全,此功能是独立于锂离子电池的保护电路而存在的。它还另外加入了使用 SHA-1/HMAC 算法的密钥验证机制,可对接入系统的电池进行身份认证,而这在电路图上是看不出来的,因为密钥和计算结果的传递通过 SDA/SCL 所代表的数据接口就可以传输了,不需要其他的电路进行配合。

应用系统的需求不同,对所用电量计的选择也不同,重点在于知道自己需要什么,同时也了解不同电量计的特性,这样便可将两者联系起来进行选择。无论你最后的选择是什么,都需要知道准确计量的前提是要对电池特性有一个准确的了解,这需要通过测量电池特性并从所得数据中推算出电池的模型参数才能获得,这就需要你和立锜技术支持团队配合工作来进行了,如果不进行这步工作而直接使用,所得结果也可以使用并具有一定的参考价值,但其精度总是有限的。

转载自 RichtekTechnology。

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