电池电量计：精确测量充电水平

电池电量计确定二次电池中剩余的电量以及电池可以继续供电多长时间（在特定工作条件下）。本应用笔记讨论了测量锂离子电池剩余电量时面临的挑战，以及实现电量计以应对这些挑战的不同方法。

介绍

自移动电话问世以来，可充电电池及其相关的电量计指示器已成为我们信息和通信社会的一个组成部分。它们现在对我们来说与过去100年来的汽车燃油表一样重要。然而，虽然司机不能容忍不准确的燃油表，但手机用户往往要忍受高度不准确、低分辨率的指示器。本文讨论了准确测量充电水平的各种障碍，并介绍了设计人员如何在电池供电应用中实现精确的电量计。

锂离子电池

锂离子电池从1997年左右开始量产，在开发过程中解决了各种技术问题。由于它们在体积和重量方面具有最高的能量密度（图 1），因此可用于从手机到电动汽车的各种系统。

图1.各种电池类型的能量密度。

锂电池还具有特定特性，这对于确定其充电水平很重要。锂电池组必须包括各种安全机制，以防止电池过度充电、深度放电或反向连接。由于高活性锂会造成爆炸危险，因此锂电池不得暴露在高温下。

锂离子电池的阳极由石墨化合物制成，阴极由金属氧化物制成，添加锂的方式最大限度地减少晶格结构的破坏。这个过程称为插层。由于锂与水反应强烈，因此锂电池由有机锂盐的非液体电解质构成。给锂电池充电时，锂原子在阴极中电离并通过电解质输送到阳极。

电池容量

电池最重要的特性（除了其电压）是其容量（C），以mA小时为单位，定义为电池可以提供的最大电量。容量由制造商针对一组特定条件指定，但在制造电池后会不断变化。

图2.温度对电池容量的影响。

如图2所示，容量与电池温度成正比。上图曲线显示了锂离子电池在不同温度下以恒定 I、恒定 V 过程充电。请注意，电池在高温下比在 -20°C 下多消耗大约 20% 的电量。

如图2中的下部曲线所示，温度对电池放电时的可用电量的影响更大。该图显示了充满电的电池在两种不同的电流下放电至2.5V的截止点。两条曲线都显示出对温度和放电电流的强烈依赖性。在给定的温度和放电速率下，锂电池的容量由上下曲线之间的差异给出。因此，锂电池容量在低温下或大放电电流或两者兼而有之时大大降低。在高电流和低温下放电后，电池仍然具有显着的残余电荷，然后可以在相同温度下以低电流放电。

自放电

电池通过不必要的化学反应以及电解质中的杂质失去电荷。常见电池类型在室温下的典型自放电率如表1所示。

 

化学	ZSelf-放电/月
铅酸	4% 至 6%
镍镉	15% 至 30%
镍氢	30%
锂	2% 至 3%

 

化学反应是热驱动的，因此自放电与温度高度相关（图3）。可以使用漏电流的并联电阻对不同电池类型的自放电进行建模。

图3.锂离子电池的自放电。

老化

电池容量随着充电和放电循环次数的增加而下降（图 4）。这种下降通过术语“使用寿命”来量化，“使用寿命”定义为电池在其容量降至初始值的80%之前可以提供的充电/放电循环次数。典型锂电池的使用寿命在 300 到 500 次充电/放电循环之间。

锂电池还遭受与时间相关的老化，这导致其容量从电池出厂的那一刻起下降，无论使用情况如何。这种效应会导致充满电的锂离子电池在 20°C 时每年损失 25% 的容量，在 35°C 时损失 40% 的容量。 对于部分充电的电池，老化过程更为缓慢：对于残余电量为 40% 的电池，在 4°C 下每年损失约为其容量的 25%。

图4.电池老化。

放电曲线

电池的特性放电曲线在其数据表中针对特定条件进行了指定。影响电池电压的一个因素是负载电流（图 5）。不幸的是，负载电流无法在模型中通过简单的源电阻进行仿真，因为该电阻取决于其他参数，例如电池的年龄和充电水平。

图5.电池放电曲线。

与原电池相比，二次锂电池表现出相对平坦的放电曲线。系统开发人员喜欢这种行为，因为可用电压相对恒定。但是，逐渐放电使电池电压与电池的剩余电量水平无关。

精确测量电荷水平

为了确定电池中的可用电量，首选简单的监测方法。它们应该消耗很少的能量，并且应该（理想情况下）允许人们从电池电压推断出充电水平。然而，这种仅电压方法会产生不可靠的结果，因为电压和可用电荷之间没有明确的相关性（图5）。电池电压也取决于温度，动态松弛效应会导致负载电流减小后端电压缓慢增加。因此，纯粹基于电压的监控不太可能提供优于25%的充电水平精度。

相对充电水平，通常称为充电状态 （SOC），定义为剩余电荷与电池充电容量的比率。因此，必须通过称为“库仑计数”的程序来测量和监测电荷流。在实践中，库仑计数是通过对流入和流出电池的电流进行积分来实现的。为了使用高分辨率ADC测量这些电流，通常将一个小电阻与阳极串联。

电量计学习

电池SOC与上述参数之间的功能关系无法通过分析相关，因此必须根据经验确定电池容量和电荷。没有广泛的分析模型可用于计算（具有足够精度）电池在实际工作条件下的容量，例如温度，充电循环次数，电流，年龄等。理论模型仅适用于某些“局部”条件。为了确定相对电荷水平，它们在本地应用并在全球范围内进行校准。

为了在使用电池时达到足够的精度，必须通过称为电量计“学习”的过程不断校准模型参数。结合库仑计数，这种方法产生的电量计精确到百分之几以内。

电量计选择

现代集成电路可以确定所有类型的二次电池、电池配置和应用的 SOC。尽管电源电流较低（活动模式下约为60μA，睡眠模式下约为1μA），但这些IC仍能实现高精度。电量计 IC 分为三类（表 2）。由于锂基电池是许多应用的首选，因此所示示例基于锂离子和锂聚合物电池。

 

部分	电量计IC的类型	电池组中的功能	主机系统中的功能
DS2762	库仑计数器	测量	算法+显示
DS2780	电量计	测量+算法	显示
MAX1781	可编程电量计	测量+灵活的算法	显示

 

库仑计数器，有时称为电池监视器，是测量、计数和转换上述电池参数的 IC，包括电荷、温度、电压、负载周期和时间。由于库仑计数器不处理测量的变量，因此它们不是智能的。DS2762就是这样一种器件，它已经包括一个集成的高精度25mΩ电阻，用于测量电流。该器件可监控温度、电池电压和电流，并具有1-Wire®总线，允许驻留在电池组或主机系统中的微控制器读取所有读数。它还提供了二次锂电池所必需的安全电路。其结果是一个灵活、经济高效的系统，需要大量的知识和开发工作（尽管成本被IC供应商提供的软件、模型和支持所抵消）。

库仑计数器的另一种方法是燃油表。这些一体化设备使用学习算法执行电量计程序，并自行执行所有必要的测量。电量计通常部署在称为智能电池的智能自主电池中。由于集成电量计的开发工作量要少得多，因此这种方法非常适合需要快速上市的应用。DS2780就是这样一种电量计，允许主机使用1-Wire总线读取SOC。

另一种选择是可编程电量计，其中包括具有相当灵活性的集成微控制器。例如，MAX1781包括集成RISC内核、EEPROM和RAM。该器件使开发人员能够根据需要实现电池模型、电量计例程和测量。集成 LED 驱动器支持简单而准确的 SOC 指示。

总结

可充电电池的电量计量是一项复杂的任务，因为影响电池容量的许多相互依赖的参数。因此，简单的测量方法可提供不准确的结果，而这些结果仅适用于非关键应用。然而，通过使用现成的电量计IC，可以实现高精度和可靠的电量计。

审核编辑：郭婷