解決方案
鋰電池的秘密丨揭秘庫侖計電量計設計攻略...
發(fā)布時間：
2016-04-18
鋰電池產(chǎn)品具有很高的能量密度，隨著技術的發(fā)展，能量密度會進一步提升，應用前景將更加廣闊。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、平板電腦到工業(yè)應用的各種手持式便攜儀表均采用鋰電池作為電源。
鋰電池儲能隨著設備的使用逐漸釋放，需要監(jiān)測電池狀態(tài)，以便及時了解電池的剩余電量，在電池耗盡之前及時為電池充電，估算當前工作狀態(tài)下電池還可以維持工作的時長(鋰電池過充和過放會影響電池的壽命，嚴重情況下還可能導致電池爆炸，因此，通常會采用電池保護板，這里不討論該部分)。電量計就是專門用于監(jiān)視鋰電池狀態(tài)的器件。在討論電量計之前，先要了解一下鋰電池的特性。
鋰電池的特性
鋰電池存儲的能量和能夠釋放出的能量與溫度有關，下圖為不同溫度下鋰電池的狀態(tài)圖：
圖1.電池存儲/釋放能量和溫度關系
從圖中可以看出，在-20℃時，電池充滿電的電量為大約1150mAh，大電流放電至電池電壓為2.5V時，電池電量為大約1130mAh，釋放出的電量 為1150-1130=20mAh，由此可見，電池在-20℃時幾乎無法釋放電。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，鋰電池能夠存儲的能量會逐漸減少，稱之為電池老化。下圖為電池容量與充放電周期的關系圖：
圖2.電池充放電周期與容量關系圖
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)的相關性，不能簡單地根據(jù)電池電壓來預報電池的電量。利用電量計器件可應對電池的非線性，對不同溫度下以及老化程度不同的電池都能正確預報剩余電量。
電量計工作原理
目前電量計主要包括：基于庫侖計計量的電量計和基于開路電壓檢測(OCV)的電量計。
OCV電量計工作原理
開路電壓檢測電量計利用電量計上電時測量電池的電壓(通常情況下，電池應該靜止足夠長時間使電池電壓恢復)，通過存儲在電池內(nèi)部的電壓和電量對應關系查找 表來估算電池的電量，該電量計和電池的相關性不大，因此可以用在主機側(cè)，使用該電量計的系統(tǒng)可任意更換電池(更換電池的型號必須一致)。
庫侖計電量計工作原理
庫侖計電量計是按照電池電流對時間的積分計算電量，電量計類似與一個蓄水池，充電時，相當于對蓄水池注水，放電時相當于對蓄水池放水，蓄水池中剩余的水量就相當于電池中剩余的電量，因此，庫侖計電量計和電池密切相關，通常，庫侖計電量計放置在電池包內(nèi)，和電池綁定在一起。
電量計利用外部檢流電阻檢測電池電流，通過內(nèi)部ADC將測量結(jié)果以電壓形式保存在電流寄存器中，然后累計到電流累計寄存器(ACR)中，ACR中保存的結(jié) 果是以mVh為單位，因此除以檢流電阻，就可以計算出電池的絕對剩余電量，真的這么簡單??！其實不然，還有很多問題需要解決。
如何確保準確計量？
電量累計是電流對時間的積分，那么時間的精度和測量電流的精度就決定了電量累計的誤差，時基誤差在常溫下小于1%，而且當測量電流為0時，累積電量也為0，因此，必須調(diào)整測量電流的精度才能確保電量計量精確，有哪些因素會影響電流的測量精度？外部電阻的精度，測量電流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)：用于對溫漂較高的電阻進行補償。
COB (失調(diào)電流偏置寄存器)：用于存放ADC測量電流的失調(diào)值。當失調(diào)電流為正時，該寄存器設置為負值。在電流累積時會將失調(diào)電流減去。
RSGAIN (電阻增益寄存器)：用于設置電阻的增益。允許使用低成本電阻，然后通過該寄存器調(diào)整電阻值，另外，也可以通過調(diào)整該寄存器間接相當于調(diào)整了測量電流的增益誤差。
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，這些電流都不會流經(jīng)檢流電阻，因此無法通過測量進行累積。電流累積偏移(AB)寄存器則用于補償這些電流損耗。
如何應對電量隨溫度的變化？
電量計內(nèi)部帶有溫度傳感器，可測量電池的溫度，如果將電池滿電量與溫度的對應關系寫入器件，根據(jù)測量的電池溫度，就能計算出當前的溫度下電池的滿電量，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(該部分電量無法釋放出來) 寫入內(nèi)部寄存器。電池可以以最大允許放電電流范圍內(nèi)的任意值進行放電，如何存儲這么多的放電曲線？幸運的是，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模式。因此，只需要將這兩種狀態(tài)下的放電曲線(分別稱為有效空電量和待機空電量)保存在內(nèi)部寄存器中就可以了，這個過程稱之為電池建模。
圖3.不同溫度下電池的滿電量和空電量曲線
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