表征与电量计一起使用的Li+电池

准确的电池电量计依赖于了解不同环境和操作条件下电池行为的几个特征。为了收集这些所需的信息，必须在已知条件下对电池进行表征。本应用笔记概述了表征电池的分步方法，包括如何收集和解释数据。本文还介绍了如何将数据集成到Maxim电池管理器件的评估软件中，以便与电量计软件算法配合使用。

介绍

为了准确估计Li+电池的剩余容量，有必要知道电池如何随温度和各种电流负载而变化。本应用笔记概述了一种表征Li+电池的方法，收集和解释数据，然后将数据加载到Maxim电池管理器件的评估软件中，以便与电量计配合使用。该器件将使用累积电流寄存器（ACR）监控流入和流出Li+电池的电流，电量计会将ACR与计算出的电池满点和空点进行比较，以确定剩余容量。

表征Li+电池的程序

1. 确定充放电曲线

表征Li+电池的最佳方法是创建一个尽可能接近实际应用的环境。这包括保护电路、由应用的典型工作和待机电流组成的放电曲线、充电曲线以及应用可能经历的环境温度。这需要一种方法来模拟电池的充电和放电以及改变温度的能力。通常，用于表征的温度范围为0°C至40°C，步长为10°C。 评估软件要求温度点相距10°C。

有功电流是最终用户使用应用时从Li+电池汲取的典型电流。待机电流是应用处于空闲状态时从Li+电池汲取的典型电流。

评估的燃油计量部分所指的活动空点和备用空点 软件定义为Li+电池达到空电压（由用户定义）的容量 负载分别为有功电流和待机电流。空点如图 1 所示，可在步骤 5 中找到。用户可以为有功电流和待机电流负载定义单独的空电压。满点定义为充电电路认为Li+电池充满电的容量。

图1.降压放电期间随时间变化的电压和电流。

2. 校准器件的偏移寄存器

按照特定器件数据手册的规定，将Maxim电池管理器件正确连接到Li+电池后，下一步是校准器件的失调。使用针对所用特定器件的评估软件，可以轻松校准失调。确保电路上没有负载，然后单击“仪表”选项卡上的“校准偏移”按钮。如果未使用评估软件，应用笔记224“校准DS2761的失调寄存器”中提供了校准失调的分步方法。

3. 开始记录数据

使用评估软件可以轻松记录数据。只需转到数据日志选项卡，将采样间隔设置为 15 秒，然后单击日志数据。建议使用 15 秒间隔，因为它记录的数据足以捕获所有数据点，而不会创建太大的文件。所有实时数据都将记录到指定的文件名中，直到按下“停止记录数据”按钮。

4. 在室温下循环电池

重要的第一步是闯入细胞。通常，Li+电池的容量在其生命周期的第一个周期中会变化几个百分点。建议在表征电池之前，将电池循环 20 个完整的充电和放电循环。此时不需要记录数据，但这样做将允许用户监控设备中在分析最终数据时需要考虑的任何额外偏移。

5. 在最高温度下开始校准

建议在最高温度下开始表征，因为通常这是Li+电池具有最大容量的地方，这为其余数据提供了良好的参考点。让电池在最高温度下稳定，然后将电池完全放电到待机空电量点。接下来，根据应用程序的充电曲线对电池充满电;这将是该温度的满分。然后将电池完全放电至用户定义的有功空电压下有功电流负载，以找到有源空点。最后，将负载更改为待机电流值，并继续将电池放电至待机空电压以找到待机空电量点。

为了加快该过程，用户可以选择将电流从有源电流负载降压到待机电流负载。考虑一个如图1所示的示例，其中有功电流定义为200mA，待机电流定义为5mA，空电压定义为3.3V。在200mA负载下将电池放电至3.3V以达到有效空点是可以接受的，然后在允许电池松弛几秒钟后，在电池上放置100mA负载，直到再次达到空电压。继续将电流负载降压至50mA，20mA，10mA，最后降至5mA，直到达到空电压，该点将成为待机空电量点。这将使电池达到同一点，而无需在5mA负载下延长电池放电所需的时间。

6. 在每个温度下重复

一旦达到某个温度的待机空电量点，就转到下一个温度并开始充满电。充电完成后，这将是该温度下的满点。然后放电到活动和备用空点。继续此过程以逐步完成所有所需的温度点。

从表征数据中确定数据点

评估软件以制表符分隔的格式将实时数据记录到文本文件中，以便轻松导入电子表格。然后可以对数据进行排序或绘制图形以查找所需的数据。

7. 找到所有必要的数据点

然后，用户可以对日志文件进行排序，并标记所有满点、活动空点和备用空点。执行此操作的一种简单方法是滚动数据并查看“当前”列并注意当前读数的变化，并在电子表格的未使用列中放置“x”。例如，当电流从充电变为放电时标记一个满点，或者当有功电流负载结束时标记为活动空点，或者当电流从放电变为充电时标记为待机空点。然后使用电子表格应用程序的自动筛选功能轻松查看已标记的兴趣点。

表1所示为DS2761在表征Li+电池时收集的数据示例，其中感兴趣点被滤除并标记。本例中使用的充电曲线是900mA的恒流充电，直到电压达到4.2V。然后电池以4.2V的恒定电压充电，直到电流逐渐减小到70mA以下，这被定义为满点。有效空点定义为3mA负载下的0.350V。待机空置点定义为 2mA 负载下的 7.3V。在40°C、30°C、20°C、10°C和0°C下对细胞进行了表征。

如果在步骤4中循环单元格期间记录了数据，则可以比较空点以查看是否存在增加或减少的趋势，这将表明当前读数存在一些偏移。由于循环是在恒定温度下完成的，因此如果偏移完全抵消，空点应全部对齐。如果检测到偏移，则需要将其作为添加到ACR列的偏移包含在数据中，以获得Li+电池的准确表征。

表 1.Li+电池的表征数据

 

时间	电压	当前	Temperature	ACR	Mark	Label
上午1：13：26	3.25	918.317	40	62.38	x	开始
上午2：12：41	4.158	480.817	40	927.97	x	破
上午2：41：34	4.197	68.688	39.75	1032.7	x	满
上午5：26：54	3.035	-345.297	40.125	81.19	x	活动空
上午7：36：03	2.757	-2.475	39.875	71.04	x	待机空
上午8：35：50	4.163	440.594	30.125	930.2	x	破
上午9：06：28	4.197	69.307	30	1032.2	x	满
上午11：50：18	3.006	-344.678	30.375	94.06	x	活动空
下午1：44：11	2.757	-3.094	30.125	80.69	x	待机空
下午2：45：07	4.168	376.856	20.125	929.95	x	破
下午3：18：54	4.197	69.926	21.125	1031	x	满
下午6：00：16	2.987	-345.297	20.625	110.15	x	活动空
下午7：46：43	2.757	-3.094	20.5	90.1	x	待机空
下午8：51：04	4.177	306.312	10.375	928.71	x	破
下午9：29：26	4.197	70.545	10.5	1028.5	x	满
上午12：06：02	2.962	-346.535	10.875	130.94	x	活动空
上午2：01：00	2.757	-3.094	10.75	100.5	x	待机空
上午3：16：05	4.182	230.817	0.625	919.06	x	破
上午4：00：59	4.197	69.926	0.5	1019.3	x	满
上午6：28：55	2.943	-350.248	1.25	161.63	x	活动空
上午9：18：10	2.777	0	0.875	113.61	x	待机空

 

8. 确定容量数据点

用于确定Li+电池在不同温度下的满点和空点的数据将是日志文件的ACR列中的数据。满点和空点是相对数据点，需要引用到一个固定数据点。选择最高温度下的待机空置点作为参考点，因为它通常是ACR在表征过程中将达到的最低点（表1中突出显示了该点）。因此，所有读数都将大于此点，以便于数据存储。

表 2 显示了表 1 中每个感兴趣点的 ACR 读数。选择40°C时的待机空电量点作为参考点，因此所有ACR读数都应减去71.04mAhrs以确定其他满电量点和空电量点。表40显示了相对于3°C待机空电量点的满电量和空电量的简单表，可轻松输入评估软件以存储在器件中。

表 2.从表1中提取的满点和空点

 

温度	0	10	20	30	40
Full	1019.3	1028.5	1031	1032.2	1032.7
待机空	113.61	100.5	90.1	80.69	71.04
Active Empty	161.63	130.94	110.2	94.06	81.19

 

表 3.满电量点和空电量点以 40°C 时的待机空电量点为参考

 

温度	0	10	20	30	40
Full	948	957	960	961	962
待机空	43	29	19	10	0
Active Empty	91	60	39	23	10

 

9. 确定断点

用于估计剩余充电时间的数据点是断点。断点用于用 2 条线近似充电期间的 ACR 曲线，如图 2 所示。用户选择断点作为 ACR 曲线“中断”的点，以便 2 线近似具有最小的误差。

图2.在 2°C 下充电期间随时间变化的 ACR 和 20 线近似值。

确定断点的最简单方法是绘制充电期间随时间变化的 ACR，并直观地确定曲线突破的位置。建议从中间温度中选择 ACR 曲线，并将该断点用于所有温度。断点将存储为小于满点的 mAhrs 数。在图2中，断点比满点小约100mAhrs。

10. 确定充电时间估计数据点

FuelPack 算法需要断点和每个温度下从空到满的分钟数以及从断点到满点的分钟数，以返回剩余充电时间的准确估计值。有必要返回数据并标记所有断点。这可以通过简单地找到完整点并返回在步骤 9 中选择作为断点的 mAhr 数来完成。

从表1中的数据中，获取前一个温度（即充电开始时）下每个待机空电量点的时间戳、断点和满电量点，如表4所示。表 4 还显示了每个数据点的 ACR。然后使用这些时间戳计算每个温度下空点和满点之间的分钟数以及断点到满点，如表 5 所示。评估软件的电量计算法仅为 3 个温度的充电数据分配足够的 EEPROM，因此应将 0°C、20°C 和 40°C 的数据写入器件。

表 4.每个温度下待机空点、中断点和满点的时间戳

 

温度	0		20		40
	Time Stamp	ACR	Time Stamp	ACR	Time Stamp	ACR
待机空	上午2：01：00	100.5	下午1：44：11	80.69	上午1：13：26	62.38
Break	上午3：16：05	919.06	下午2：45：07	929.95	上午2：12：41	927.97
Full	上午4：00：59	1019.06	下午3：18：54	1031	上午2：41：34	1032.7

 

表 5.估计剩余充电时间所需的数据点

 

温度	0	20	40
从空到满（分钟）	120	95	88
休息至完全（分钟）	45	34	29
断点（毫安时）	100

 

将数据编程到设备并启动电量计

11. 使用适当的数据对设备进行编程

使用评估套件使用表3和表5中的数据对器件进行编程。手动将该数据输入到“包装信息”选项卡的“燃油计量数据”子选项卡的文本框中，如图 3 所示，然后单击“写入”按钮（未显示）。数据将被写入设备的暂存器，然后复制到EEPROM。

图3.将燃油测量所需的数据加载到评估软件中。

12. 同步 ACR

准确报告Li+电池容量的最后一步是将设备的ACR与电池容量同步。一种简单的方法是根据应用的充电曲线对Li+电池充满电，然后将ACR设置为该温度下的满点。要使用评估软件执行此操作，请单击“电量计”选项卡上的“启动电量计”按钮启动电量计，如图 4 所示。充电完成后，单击“电量计”选项卡上的“满”按钮，ACR 将与电池的容量同步。

图4.评估软件的燃油测量选项卡。

总结

Maxim电量计算法提供了一种精确的方法来跟踪Li+电池在电池由应用充电和放电时的容量。这需要了解电池的容量以及它在应用可能经历的各种负载和温度下的行为。使用Maxim提供的评估软件采集并存储特性数据后，电量计将准确估算电池的剩余容量。

审核编辑：郭婷