如何预测电池容量与确保安全运行

除了提供电力之外，用户还希望电池能够安全可靠地运行，并在需要充电甚至更换时提醒他们。对于设计师来说，这提出了两个挑战第一个是可靠而准确地预测电池容量。第二是确保使用可靠的电池来确保产品的安全运行。

Maxim Integrated MAX172xx系列电量计为开发人员提供单芯片解决方案，以最小的工作量提供增强的准确性和安全认证。

电池性能因素

电池性能已经成为各类移动产品的主要差异化因素，但用户实际上只有在电池无法满足预期时才会意识到电池。实际上，制造商仍在努力采用可靠方法准确估算电池剩余电量的方法，尤其是锂离子（Li-ion）电池组。

与早期的电池技术不同，电压输出锂离子电池在其工作范围的较宽范围内是平坦的，并且表现出明显的温度依赖性（图1）。因此，当应用于锂离子电池时，常规使用开路电压（OCV）测量来预测电池充电状态（SOC）可能遭受显着误差。此外，采用这种方法对电流检测电阻的需求意味着电池会持续耗电，即使开发人员希望实施策略来延长充电之间的时间。

图1：与任何锂离子电池一样，相对平坦的电压输出使输出电压与电池容量相关的尝试变得复杂。 （图片来源：Richtek）

另一种常见的方法是库仑计数，仔细跟踪电池输入和输出电流。在完美的世界中，这种方法可以提供非常准确和可靠的电池SOC测量。然而，实际上，实际电路的非理想特性会引入误差，导致SOC估计随时间的显着漂移。

除了努力提供更精确的SOC估计外，设备制造商多年来一直采用确保只有正宗电池与其设备一起使用的措施。未经许可的克隆不仅显着影响产品制造商的收入，而且还降低了电池供电产品对消费者的操作。这些假冒电池可能不符合与目标产品相关的严格机械和电气要求。克隆电池可能缺乏针对短路，温度监控和整体充电管理所需的防护等级，这对锂离子充电电池尤其重要。

此外，未能满足严格供应要求的电池可能会损坏目标产品。即使产品内置了电源保护机制，先进的半导体器件仍然对电源电压和电流敏感。超出规格的电池电源会对组件造成压力，影响性能，最终导致生命周期缩短和故障。

单芯片解决方案

过去，电池制造商 - 操作的设备和电池组需要组合的组合以提供SOC估计并确保使用真实的电池。相比之下，Maxim Integrated MAX17201是一款单芯片解决方案，能够提供高精度的SOC估计和高度安全的电池认证。

只需少量额外的无源元件，设计人员就可以使用MAX17201或其在系统侧（图2A）或电池组（图2B）中实现这些功能的变体。 MAX17201和MAX17211监控单节电池组，MAX17205和MAX17215监控并平衡多节电池组。

图2：Maxim Integrated MAX17201和MAX17211支持系统侧（A）和电池侧（B）设计，只需少量附加组件即可提供复杂的容量估算和电池认证。 （图像来源：Maxim Integrated）

对于设计人员而言，该器件提供了近乎可靠的解决方案。硬件工程师可以通过简单的串行2线或1线接口将器件集成到目标系统的电源管理设计中。 （MAX1720x器件支持I 2 C串行接口; MAX1721x器件支持Maxim 1线串行接口。）软件开发需要在串行连接上实现一些简单的命令来执行电池SOC和MAX172xx器件内置的认证程序。

开发人员可以使用Maxim工具来表征电池以满足自定义调谐要求，但他们通常可以忽略电池/系统集成中的这一传统步骤。该设备的默认设置可处理各种电池，无需进一步表征。在整个电池的生命周期中，工程师可以依靠设备自动补偿温度变化，放电率，甚至电池单元老化的能力，以保持准确的结果。

自适应SOC算法

< p>对于SOC估算，该器件采用Maxim专有的ModelGauge m5算法，该算法将库仑计数与电池OCV测量相结合。在这里，该算法利用每种估计方法的优势来抵消对方的弱点。例如，在上电复位后，库仑计数未知。即使设计者接受了与断电时在非易失性存储器中保留该值相关的成本，在延长的断电状态期间适度的电池放电也会削弱其准确性。 Maxim的m5算法通过最初使用OCV作为SOC估计的主要来源来回避这个问题。

随着电池使用的继续，m5算法更多地依赖于库仑计数，当输出电流响应系统负载的正常变化而变化时，库仑计数可以更可靠地跟踪SOC。随着时间的推移，m5算法将库仑计数的结果与基于OCV的SOC估计的结果进行比较。随着这些估计方法之间的差异变宽，m5算法以固定步长增加或减少库仑计数值，以使其更接近OCV结果。净效应是SOC估计结果，其避免了库仑计数的漂移和OCV方法的不稳定性（图3）。

图3：Maxim Integrated ModelGauge m5算法协调使用两种传统方法：库仑计数和开路电压测量，以最大化每个方法的优势方法同时尽量减少其缺点。 （图像来源：Maxim Integrated）

对于实际应用，剩余电池寿命有多个方面。改变温度和放电速率会影响应用实际可用的电荷量。 MAX17201及其变体使用专用器件寄存器报告不同的容量测量值，以满足实际使用情况（图4）。主机通过串行接口上的简单读取命令根据需要读取这些寄存器。

图4：Maxim Integrated的MAX172xx器件系列将传统的容量报告（MixCap）与实际可用的瞬时容量（AvCap）的附加值相结合。应用程序和结果（RepCap），提供可用容量的平滑表示。 （图像源：Maxim Integrated）

MixCap寄存器基于极低电流放电和可变输出电压的假设，提供理想容量的传统视图。相比之下，AvCap寄存器旨在提供对应用程序实际可用剩余容量的更实际测量。例如，该寄存器中的值通过计算由于单元最小电压要求而不可用的电荷来降低MixCap值。

同时，AvCap寄存器值提供有效剩余容量的瞬时视图，随负载的变化而变化很大（参见图4中的“负载增加”事件）。由于负载不断变化，AvCap值本身可能代表对剩余容量的过度悲观或乐观的看法。更糟糕的是，从用户的角度来看，如果直接报告，这些快速变化可能会令人困惑。 Maxim提供另一个寄存器RepCap，它可以平滑AvCap结果，帮助开发人员为用户提供更稳定的剩余容量视图。

电池寿命估算

在理想条件下，锂离子电池的容量估算非常困难。随着时间的推移，细胞年龄和连续充电/放电循环导致细胞容量降低（图5）。提供准确估计电池寿命终点的能力对于避免最终用户突然发现其电池无法在合理的时间内维持充电的情况至关重要。然而，在实践中，如果电池使用超过制造商规定的标称操作条件，则使用简单的循环计数来预测电池寿命终止可能导致意外的早期寿命终止。

图5：锂离子电池，包括此处绘制的FDK America ML2430 3伏电池，通常会随着占空比的增加而损失容量。 （图片来源：FDK America）

Maxim的ModelGauge m5算法包含一个名为Cycle +的功能，可以预测单元格中剩余的周期数。 Cycle +机制监视电池容量随时间的变化，并预测电池容量下降到预定阈值之前剩余的周期数。年龄预测机制需要特定于开发人员的周期数才能开始预测。

鉴于可能影响细胞的众多因素，随着细胞特征的变化，年龄预测的准确性会受到侵蚀。年龄，环境和应用。因此，Maxim对年龄预测设定了具体限制。例如，该算法允许开发人员确定剩余的周期数，直到电池容量下降到设定的起始容量百分比。开发人员使用设备的DeadTargetRatio寄存器设置此百分比，该寄存器允许值介于启动容量的75％和86.72％之间。该公司特别警告说，预测低于此设定百分比的剩余周期的尝试是不可预测的，并且不受算法支持。

尽管MAX17201的有效范围有限，但它能够预测电池的剩余周期，使开发人员能够执行中段校正到单元数据表中指定的理论生命周期参数。如果预测表明使用模式会导致电池过早达到使用寿命，开发人员可以动态改变电池充电/放电机制，以满足与最终产品相关的生命周期预期。至少，开发人员可以实现用户界面功能，警告早期电池丢失。

电池认证

虽然专用设备提供了电池SOC的估计，但包装和电子措施都有过去常常使造假者难以克隆电池。在最简单的层面上，使用特定的封装几何形状和每个电池的连接器放置意味着电池必须满足与目标产品一起使用的机械要求。

最重要的是，制造商可能会添加简单的无源电阻网络旨在产生与特定电池类型相关的特定值。更进一步，主动识别系统在系统侧的电池认证电路读取时提供了更具体的ID或序列号。

尽管如此，这些方法中的每一种最终都证明不足以限制假冒电池。

MAX172xx设备采用复杂的质询 - 响应方法，依赖于基于随机数据和密钥的信息交换。这种类型的质询 - 响应认证导致非常大量的可能的质询 - 响应对。造假者不能希望经济地将所有可能的对构建成电池。此外，秘密密钥被刻录到每个设备中并且在外部是不可读的。由于它仅在内部使用且从未在总线上传输，因此造假者无法轻易捕获用于电池克隆的密钥。如果没有确切的密钥，尝试猜测正确的响应将是不切实际的。

Maxim在MAX172xx系列中支持两种类型的质询 - 响应序列。在一种方法中，主机和MAX172xx设备共享相同的秘密，并且每个都计算一个消息认证码（MAC），主机将其与自己的结果进行比较以验证电池（图6）。执行此认证方法很简单：主机通过将随机的160位质询写入MAX172xx器件的专用存储空间来启动序列。

使用简单的命令序列，主机然后命令MAX172xx计算MAC以响应该挑战。主机等待结果，从设备读取计算的MAC，将其与自己的结果进行比较，如果结果匹配则接受电池。

图6：使用共享密钥，主机向MAX172xx设备发出随机质询，并将设备生成的MAC与自己的结果进行比较验证电池。 （图像来源：Maxim Integrated）

对于某些应用，在主机端使用共享密钥可能不符合成本效益。例如，设备制造商可能不希望在系统端产生额外的密钥存储费用。

MAX172xx器件提供了一种替代方法，无需主机端密钥。在这里，每个主机都有一个独特的挑战：MAC对（图7）。如上所述，特定主机仅向设备发出相同的命令序列，但这次使用其存储的挑战。为了验证电池，主机将设备计算的MAC与其存储的MAC值进行比较。从主机角度来看，这种方法提供了比使用共享机密更简单的方法。出于所有实际目的，这种方法仍然提供相同级别的保护：即使伪造者捕获这一特定对，该信息也只允许电池访问该特定主机。

图7：MAX172xx器件提供了一种更简单的认证机制，无需在主机端安全存储密钥，只需简单存储挑战：响应对即是每个主机独有的。 （图像来源：Maxim Integrated）

结论

电池在电池供电产品的整体用户体验中发挥着重要作用。不准确估计电池电量和不可接受的电池寿命会使产品整体变得不可靠或有缺陷。同样，如果意外或意图使用了错误的电池，随后对产品的损坏会直接导致客户对目标系统的不满与电池一样。

MAX172xx系列提供单芯片解决方案电池充电估算和电池认证。使用该系列中的器件，产品开发人员可以为用户提供准确的电池寿命估算，同时确保使用维持安全性和性能所需的可靠电池。