电池电量计 IC的电池管理设计方案

电池电量计 IC（即电量计）是现代电池管理系统的核心。它们不仅可以准确估计电池剩余容量，还可以作为主机的电池数据采集和管理系统、一次电池保护装置和电池平衡系统，以及维护电池使用历史记录。

一些电量监测计系统包括一个模拟前端 IC，它提供高速保护和电压测量功能，以及一个电量监测计 IC，用于维持容量估计和其他更复杂的功能。越来越多的 IC 结合了模拟前端和电量监测计功能。

一系列电量计 IC 可供多种应用使用。这些 IC 包括单节电池、多达 13 节串联电池的多节电池、系统侧电量计以及带和不带内置初级保护的仪表。GaugeIC 可从许多大型半导体供应商处获得，包括 Atmel、Intersil、Maxim Integrated Products、O 2 Micro 和德州仪器[Ref. 1-5]。

单电池量规通常具有较小的 PCB（印刷电路板）占位面积，适用于紧凑的电路布局情况。这些微型电池计量器适用于只有一个电池串联的电池，或电池术语中的 1S（单串）电池。电池可以根据需要具有尽可能多的并联电池，例如 1S1P（单串/单串）、1S2P（单串） /两个并行），1S3P（一个串行/三个并行），等等。

这些仪表的示例包括 TI bq275xx、O 2 Micro OZ8805 和 MaximDS278x 系列。虽然一些单节电量计具有内置保护逻辑，但大多数都需要使用单独的保护 IC（例如 SeikoInstruments S-8211 或 S-8241 [6]。超便携式设备中的低核心电压以及高电压和能量密度锂离子电池组合产生有效的便携式电源系统。

凌力尔特公司的 LTC2941 和 LTC2942 单电池电量计实现了一个库仑计数器，该计数器通过一个快速模拟积分器来集成流入和流出电池阵列的电流[7]。这种技术可以允许精确跟踪脉冲负载电流，这对样本数据系统库仑计来说是一个挑战。

对于 2 至 4S（2 至 4 节串联）多节电池的仪表 IC，存在多种选择。它们包括 TI 20zxx 系列和 O 2 Micro OZ9310。3 或 4S（三个或四个串行）电池配置在便携式设备中很受欢迎，因为您可以使用简单的负载点降压线性稳压器从 3 或 4S 锂离子电池提供的最低电压中获得大多数复杂便携式电子设备的核心电压——大约 9V 3S 电池，4S 电池约 12V。

一旦电池中的串联电池配置超过 4S，电量计 IC 的选择就会受到限制。相对较新的 TI bq78PL114 和几个 O 2 Micro 产品可以处理高容量电池。

一些仪表支持使用外部扩展 IC 的高 S 数电池。高 S 数电池用于电动汽车和其他高能电机驱动应用。在这些应用中，需要高电池电压以避免电机控制电路中的电流过大，数百伏的电池很常见。其中许多应用程序使用完全定制的基于微型计算机的电池管理系统电路来处理高度复杂的管理和保护任务。图 1显示了典型的 4S4P（四串/四并联）电池。

 

 

安全第一

电池安全必须是设计的首要考虑因素。始终为所有锂离子电池设计多层过压、欠压、过流和过温保护，无论多小。这种保护应包括与电池串联的用于过流条件的 PTC（正温度系数）装置和用于过热条件的 TCO（热截止）装置。您还应该使用有源二级和初级保护电路。电量计 IC 可以提供初级保护，但仅提供保护是不够的。通常需要打开电子控制保险丝的二级主动保护，例如索尼化学自控保护器[8]。

仔细分析保护电路单元阵列侧的所有电路元件。至关重要的是，没有单个组件故障会导致一个或多个电池发生短路。例如，如果需要一个电容器来绕过 EM（电磁）噪声，则应使用两个串联电容器，以尽量减少组件故障导致电池短路的可能性。

现代锂离子电池可以长时间提供大电流，如果组件故障使电池短路，则会在 PCB 上引起“高能事件”。不要依赖电池的嵌入式过流保护来提供这种保护。有些电池缺少这样的元件；在其他情况下，电流跳变点非常高，可能会在电池打开之前损坏 PCB。这种考虑对于高并联电池数的电池尤其重要，其中每个电池的最大电流可以增加一个较大的最大电池电流。

将电池阵列组装到电池保护电子设备时，请勿产生电弧。这种电弧会产生高压瞬变，从而损坏电量计和保护电路元件。这种损坏可能使设备在工厂测试期间正常工作，然后在现场使用中失败。保护电路可能并不总是失效保护的，因此当实际故障发生时可能导致保护电路失效。出于这个原因，您应该在电池中设计多层保护。

主机和电池

大多数电量计支持双线 SMbus（系统管理总线），例如 I 2 C（内部集成电路），或用于与主机设备通信的单线 HDQ（高速 DQ）接口，可以是便携式设备或充电器。几个Maxim 仪表IC 支持专有的Maxim 1-Wire 接口。您可以在制造过程中使用此接口对 GaugeIC 进行编程，并与便携式主机设备和充电器通信许多参数。

大多数支持 SMbus 通信的仪表也支持 SBS（智能电池系统）[9] 。这些数字通信接口的低信号基准承载电池的返回电流。注意电量计基准到信号地和主机之间的电压降在高电池电流时系统接地不会过大。

在高电池电流情况下，数字信号可能无法在电量计或主机系统上达到有效低电平。这种无法实现的原因可能是电池到主机系统的接触电阻、导线电阻、分流电阻，甚至是 PCB 走线电阻。注意脉冲电流情况，例如电池连接期间的浪涌电流、主机设备的启动电流或高充电器电流。这些情况可能会由于信号接地提升而导致通信中断。

电池平衡

制造商建议在电量计或保护 IC 中对 3 和 4S 锂离子电池进行电池平衡，并要求对 5S 和更大的电池进行电池平衡，并且许多电量计 IC 都内置了此功能。电池平衡是必要的，因为单个电池的容量可能会有所不同当电池通过充电和放电循环时。如果电池经常深度放电，这种情况尤其如此。

最简单的电池平衡方法，即被动平衡，将电流分流到串联电池组中每个完全充电的电池周围，直到电池组中的所有电池具有相同的容量。跟踪电池组中每个电池的相对容量的电量计在每个充电周期执行此任务。凌力尔特 LTC6802-1 是一款实现该技术的电池监测 IC。

TI 的 bq78PL114 和一些 O 2 Microproducts 实现了一种更复杂的电池平衡技术，即主动平衡。这种方法控制每个电池的小型开关电源。这些电路将电流泵入电池以使其与电池组中的其他电池保持平衡。这种方法的控制和电路设计相当复杂，但它优化了充电器能量并最大限度地缩短了充电时间。

连接仪表

高 S 和 P 数电池的电池阵列或核心组可能很复杂。为确保电量计保持准确的可用容量测量，您必须小心地将仪表电压和电流感应连接到核心包。此外，许多电量计在制造过程中需要先连接顺序——通常是从最低电压到最高电压——以防止损坏 IC。

设计电池时，请确保在仪表 IC 和核心组之间的电压检测连接中流动的电流很小。此要求通常要求在电池的正极连接和仪表 IC 之间使用单独的感应线或开尔文连接。此外，请务必遵循您使用的仪表 IC 的布局指南，尤其是在电流分流器和仪表 IC 之间。

容量估计

为了保持准确，库仑计数需要已知容量起点和精确的电流测量值。当电池充满电时，大多数电量计会将其容量估计重置为电池阵列的实际容量或化学容量。

但是，化学容量会随着电池老化而变化，因此电池必须支持某种容量更新方法。您可以通过将电池从完全充电持续放电到低“训练”电压来更新电池的化学容量。这种称为调节电池的方法不方便大多数电池用户，因为它可能需要几个小时并且通常是手动过程。您可以使用调节充电器，但控制和放电电路会增加充电器的成本。

几年前，TI 开发了阻抗跟踪算法，该算法使用电池阻抗变化模型来更新电池正常使用期间的化学容量。该公司已对该算法进行了多次改进，适用于许多电池使用模型。

ImpedanceTrack 算法的正确操作要求在电池充电或放电期间，出现两个“松弛”点，即电池电流较低且电池电压处于放电曲线的平坦部分——即既不在完全充电时也不接近完全放电时。您必须将这两个松弛点间隔超过大约 40% 的电池容量。

例如，如果您为笔记本电脑的电池充满电，请在电池上使用计算机一段时间，合上盖子一段时间，再使用一段时间，然后再次合上盖子。阻抗跟踪算法将可能拥有更新化学容量所需的信息。

某些电池使用模式不允许阻抗跟踪算法正常运行。其中一种模式是备用电池使用模式，其中电池几乎总是保持 100% 充电，很少进行浅放电，并在放电后立即充电。TI 在其网站上提供了一些关于如何使算法适应这种使用模型的白皮书，但这是一个复杂的过程。

Maxim 开发了 ModelGauge 算法，该算法使用精心设计的电池类型电压-温度-容量特性模型，在正常电池使用期间更新电池的化学容量。Maxim 正在与一小组电池集成商合作开发这项技术的首次应用。

O 2 Micro 使用高分辨率电池电压测量和电压与容量的模型来估计电池容量。高容量锂离子电池的平坦电压-容量特性限制了这种技术，特别是在极其平坦的 LiFe（锂铁）PO4 电池中，其中 1 mV 的电压变化可能等于 1% 的充电状态变化。由于这个限制，电量计 IC 公司正在努力改进电压测量能力。

运行时间估计

估计剩余的便携式设备运行时间是电池使用中最复杂和最容易出错的方面之一。仪表必须知道从电池中获取多少电量以及电池阵列的真实化学容量才能报告剩余运行时间。

便携式设备从电池中获取的电量可能不一致或无法预测。对于需要维护准确估计剩余容量的便携式设备，您应该设置备用容量。当您将服务容量值编程到电量计中时，它会将报告的容量抵消该数量。

因此，电量计报告的剩余电量总是低于电池阵列的实际可用电量。由于电量计的电量不足指示，该技术允许便携式设备在断电前安全地完成它们正在执行的任何事务。这种方法类似于在飞机上有一个备用油箱，在主油箱空时提供足够的容量着陆。

系统、电池仪表

系统端仪表位于便携式主机中，并且必须在连接时适应每个电池。电池侧量规驻留在电池中，并在电池移动时携带电池特性。系统端仪表在电池通常留在主机上的应用中更有用，例如笔记本电脑、PDA（个人数字助理）和手机。

如果您更换带有系统端电量计的设备中的电池，该电量计将报告错误信息，直到您重新校准为止。电池侧仪表在将电池从便携式设备中取出以进行充电或在便携式主机设备之间移动的应用中工作得更好。

系统端仪表必须支持在正常电池使用期间运行的容量估计更新算法。否则，除非您运行调节循环，否则仪表不会知道电池的化学容量。便携式主机集成了系统侧仪表，最大限度地降低了电池电子成本，并消除了通信接口对电池触点的需求。

电池侧电量计集成了模拟热敏电阻输入，以便从电池附近获得准确的温度读数。系统侧电量计的另一个问题是热敏电阻和热敏电阻输入之间的距离更大。因此，热敏电阻在系统侧气表上的读数可能不准确。

由于电池侧仪表随电池阵列一起移动，因此它们可以随着时间的推移改进其化学容量估计值。它们还可以保存在调节循环期间完成的容量测量。然而，电池必须有一个或两个额外的触点来支持电池到主机的通信接口。

充电器和电量计

电池充电器可以是简单的交流供电设备，例如手机充电器，也可以是复杂的带有显示器和与电池通信的多槽设备，例如用户可能用来为一组便携式军用收音机充电的设备。充电器通常有两种形式：智能充电器在充电期间与电池中的电量计交互，而哑充电器仅使用电池端电压和内部测量的电流来控制充电周期。

随着充电的进行，锂离子电池充电器会在电池上保持特定的电流和电压曲线。在充电周期的初始部分，当电池电压低于浮动电压（即低于电池类型和串联排列的最大值）时，充电器提供 CCM（恒流模式）并允许电池电压逐渐增加。

一旦充电器达到浮动电压，充电器将保持 CVM（恒压模式）并允许电流逐渐减小，直到达到预设的最小值，此时充电终止。与铅或镍镉电池不同，您不能对锂离子电池进行涓流充电——也就是说，一旦电池达到完全充电，您必须关闭充电电流。涓流充电会损坏锂离子电池。

与电池电量计交互的充电器具有一些优势。电量计测量电池阵列上的真实电压，并将该电压报告给充电器。充电器只能在电池连接器处测量电压，由于接触电阻、导线电阻和分流电阻，该电压通常高于电池阵列的电压。如果充电器可以控制电量计测量的电池阵列电压，则可以更长时间地保持 CCM，减少充电时间。此外，与电量计通信的充电器可以使用电量计的精确电流测量能力，从而允许在充电器中使用成本较低的电路。

 

 

图 2 显示了为单节锂离子电池充电的典型电压和电流曲线。在这种情况下，电池电压是在充电器内部测量的，电池电压值来自电量计。注意保持 CCM 直到电池电压达到 4.2V 浮动电压的优点。

电磁噪声

由于电池管理系统包含高阻抗测量电路，因此它们容易受到 EM 噪声拾取的影响。电池供电的便携式系统，例如电动汽车中的无线电发射器和电机，它们自身会产生电磁噪声，或者它们可以在电磁噪声源附近运行。电池周围的金属罐和电池的互连带构成了用于高频噪声的高效天线。

单元阵列中的噪声拾取可能会在包含 ADC 和信号调理组件的电量计电压和电流测量系统中引起读取噪声。Gas-gaugeIC 使用模拟和数字噪声滤波器来减少这种 EM 噪声引起的问题，但在嘈杂的环境中它仍然可能是一个问题。EM 噪声尖峰可能导致初级和次级电池保护电路中的杂散保护跳闸。这些脱扣可能会造成麻烦，或者在二级保护脱扣的情况下，可能会禁用电池。

电池设计人员在设计电池管理系统电子产品时应遵循良好的 EM 降噪技术。仔细的 PCB 走线和 PCB 中接地平面区域的广泛使用是必不可少的。小心地绕过电量计和相关 IC 的配电，因为它们直接从电池接收电力。电量计 IC 和电流测量分流器之间的正确连接至关重要；查阅供应商文献以获得建议。

　　参考：

　　“ 8 位和 32 位、低功耗高性能MCU，”Atmel。

　　“电池管理：电池平衡和安全”，Intersil。

　　“参数搜索：电池保护器、选择器和监视器”，MaximIntegrated Products。

　　“智能电池”，O 2 Micro。

　　“电池电量计”，德州仪器。

　　“参数搜索：锂离子电池保护 IC，”Seiko Instruments Inc.

　　“电池管理”，凌力尔特。

　　“自我控制保护器”，索尼化学和信息设备公司。

　　“ SBS 1.1 规范：当前”，智能电池系统实施者论坛。