通过充电状态测量进行精确的电量计量

便携式电子设备依靠电池作为唯一的电源。无论您使用智能手机、健身追踪器、运动相机、户外导航设备、相机还是手持收发器，我们都遇到过意想不到的低电量警告。在大多数情况下，这样的警告信息只会带来不便，但对于安全和应急设备来说，后果可能是可怕的。

因为我们非常依赖电池供电的电子设备，所以设备能够准确地测量功率水平至关重要。早期的电池供电设备试图通过电池电压和负载电流的组合来确定电池状态，但未能考虑电池的充电状态。该设备的电路保护功能通常包括欠压切断功能，该功能可能被过早调用，导致意外关闭，这都是因为电池的充电状态未确定。

该博客探讨了如何在电池供电设计中准确测量电池的充电状态。

电量计电池的充电状态

由于电池材料、它们的化学性质和环境温度引入的变量，通过测量电池电压来进行电量计量是不可靠的。此外，电池阻抗会随着充电状态和电池使用年限而变化，从而使精确测量变得更加复杂。每种电池类型的化学成分都会产生独特的放电特征，其中一些比其他电池更适合基于电压的充电状态。一些电压和负载电流放电曲线非常浅，使得电压电量计只能指示 100% 或平坦。

电池充电和放电电流的测量称为库仑计数，是另一种估算充电状态的方法。考虑到电池寿命和自放电特性，库仑计数法效果很好。

充电状态对安全和消费者体验的重要性

随着越来越精通技术的消费者群体，以高精度确定和显示电池的充电状态是当今任何手持消费电子设备成功的关键因素。为了实现真正准确的电池充电状态预测方法，许多制造商针对特定应用和用例场景对每个电池进行了表征。这会导致上市时间延迟，如果不在内部执行，则需要运送给第三方供应商。然而，一些电池，例如锂离子电池，在运输方面受到越来越多的监管。该规定不仅包括处理电池的后勤性质，还包括运输时电池所含的电量。

除了涉及电池运输的立法之外，要在日常使用和存储期间将相对不稳定的电池（许多能够提供数百安培电流）保持在安全运行参数范围内，还需要将进一步的监控电子设备纳入设计中。售后市场电池供应商为节省成本而不注意电池安全所构成的威胁，导致设备制造商将加密电池认证技术添加到他们的电池和最终产品设计中。

衡量充电状态的挑战

如上所述，要准确测量电池的充电状态并将其显示在电量计上，不仅需要考虑工作功耗，还需要考虑待机时的功耗。在运输和仓储过程中，当设备放在橱柜或“盒子里”时消耗的静态电流也需要考虑。电量计本身自然会消耗能量，因此在计算电池可以携带多少电量以及消费者收到电池后是否有足够的电量来操作设备时，需要将这一因素考虑在内。作为消费者，我们喜欢开箱即用，而不是在使用前先充电。要开箱即用地保持准确的电量计指示，需要相关电路始终处于开启状态。在消费者打开盒子并打开产品之前关闭电量计意味着充电状态指示可能不准确。请注意，为了运输和仓储期间的安全，如果温度过高或组件故障导致出现短路情况，则应保持电池保护功能（温度、电流和电压监控）处于启用状态。

准确的充电状态测量解决方案

低功耗Maxim Integrated MAX1730x系列的示例 IC 在单个 3mm x 3mm 封装中包含电量计、保护和身份验证功能。MAX17301 适用于测量锂离子或锂聚合物电池的充电状态，当输出 FET 处于活动状态时，MAX17301 具有极低的静态电流 24µA，在活动休眠期间低至 18µA。通过禁用负载 FET，电流可降至 0.1µA。该 IC 提供全面的电池健康和安全保护功能，包括过电压（取决于温度）、过充电电流、电池欠温/过温、欠压和过放电/短路。MAX1730x 的其他特性包括单线和 I 2C 外设接口，用于与主机微控制器通信，以便它可以读取 MAX1730x 的数据和控制寄存器（图 1）。

图 1：Maxim Integrated MAX1730x 的功能框图。（来源：美信集成）

健康状态和保护要求由电池电压、电流和温度决定。电池的充电状态使用 Maxim 的 ModelGauge m5 算法计算得出。该算法将电池开路电压测量的长期稳定性与库仑计数的线性和准确性结合起来。温度补偿算法的额外输入会产生准确的充电状态读数（图 2）。该算法计算电池的开路电压，即使它正在提供负载。

图 2：Maxim MAX1730x 使用 ModelGauge m5 算法计算校正后的充电状态。（来源：美信集成）

MAX1730x 通过电池老化特性和放电率补偿电量计值。它提供了各种工作条件下的充电状态百分比或毫安时 (mAh) 读数。该算法还提供充满电时间和寿命预测功能，以预测电池何时可能因老化和使用而开始失去容量。数据记录功能使用非易失性存储器在电池寿命期间记录多达 13 个参数，包括自第一次上电以来的时间。图 3说明了 ModelGauge m5 算法的操作。

图 3：流程图详细说明了 Maxim Integrated ModelGauge m5 算法操作。（来源：美信集成）

结论

能够在电量计中准确地显示电池的充电状态，而无需耗时的电池表征对于任何产品的成功至关重要。Maxim 的 MAX1730x ModelGauge m5 基于算法的电量计 IC 不仅使这成为可能，而且还通过集成保护和验证功能节省了宝贵的电路板空间和材料清单 (BOM)。

Robert Huntley 是一位获得 HND 资格的工程师和技术作家。凭借他在电信、导航系统和嵌入式应用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰写了各种技术和实用文章。

审核编辑 黄宇