引言

 

我們很多人都會用到電池供電設(shè)備，這類設(shè)備會顯示當(dāng)前還有多少電量或運(yùn)行時間，特別是因?yàn)?，我們被家里的眾多小器具所包圍。從電動刮胡刀到平板電腦，我們依靠各種各樣的電池電量指示器，幫助確定是否以及怎樣繼續(xù)使用這些設(shè)備。隨著時間流逝，我們對每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點(diǎn)熟悉了，而且知道對設(shè)備報告的數(shù)字信賴到什么程度，例如剩余 10% 電量。在較大功率的多節(jié)電池應(yīng)用中，如果用戶發(fā)現(xiàn)沒有充足的電量，情形可能更加緊急，例如使用電動自行車、電池備份系統(tǒng)、電動工具或醫(yī)療設(shè)備等情況。備用電池組也許并不總是現(xiàn)成可用，或者設(shè)備需要在特定的時長內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，因此我們會重視準(zhǔn)確的電池電量測量，或者重視評估在某一時刻電池或電池組還有多少電量。

 

除了充電、保護(hù)和電池電量平衡電路，電池電量測量一般也是智能化多節(jié)電池系統(tǒng)中會有的多種功能之一。不管提供什么功能，電池系統(tǒng)都面對一套獨(dú)特的設(shè)計挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵氐碾姎馓匦允冀K處于變化之中。例如，電池的最大容量 (也稱為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率始終隨時間流逝而降低，同時充電和放電速率隨溫度改變而變化。設(shè)計良好的電池系統(tǒng)盡可能多地連續(xù)應(yīng)對這類參數(shù)漂移，以向最終用戶提供準(zhǔn)確度一致的電池性能標(biāo)準(zhǔn)，例如充電時間、估計電量或預(yù)期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))。

 

簡言之，準(zhǔn)確的電池電量測量需要準(zhǔn)確的電池電量計 IC 和一個相關(guān)和針對電池的模型，以最終為系統(tǒng)提供人們最渴望的電池電量測量參數(shù)  ─  充電狀態(tài) (SOC)，或者以最大容量的百分?jǐn)?shù)表示的當(dāng)前電池電量。盡管市場上有集成了電池模型和算法以直接估計 SOC 的電池電量計，但是經(jīng)過抽絲剝繭，我們發(fā)現(xiàn)，這類設(shè)備的 SOC 估計方法往往過于簡化，代價是極大地?fù)p害了準(zhǔn)確度。此外，這類設(shè)備通常僅適用于特定的電池化學(xué)組成，需要額外的外部組件以連接高電壓。現(xiàn)在來看一下圖 1 所示的凌力爾特 LTC2944，這是一款簡便的 60V 電池電量計，專門為準(zhǔn)確測量單節(jié)或多節(jié)電池的電量提供了最基本的功能。

依靠庫倫計數(shù)

 

目前的研究顯示，精確的庫倫計數(shù)以及精確的電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計 SOC 的前提條件，迄今為止在這樣的前提條件下，所產(chǎn)生的最低誤差為 5%。這些參數(shù)使我們能夠準(zhǔn)確地確定電池位于充電或放電曲線的哪一點(diǎn)上，這時庫倫計數(shù)不僅使電壓讀數(shù)更可靠，而且有助于區(qū)分曲線的任何平坦區(qū)域。圖 2 顯示了不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線。庫倫計數(shù)有助于避開以下情形：設(shè)備長時間誤導(dǎo)性地報告 75% SOC，然后突然降至 15% SOC。這種情形往往發(fā)生在僅通過測量電壓來估算 SOC 的設(shè)備中。為了對庫倫計數(shù)，用戶要將庫倫計數(shù)器初始化至一個已知的、電池滿充電時的電池容量，然后當(dāng)放電時倒計數(shù)，或充電時正計數(shù) (以解釋部分充電)。這種方法的優(yōu)勢是，電池化學(xué)組成不必是已知的。因?yàn)?LTC2944 集成了一個庫倫計數(shù)器，所以這款器件可以非常方便地復(fù)制和粘貼到多種設(shè)計中，而不受電池化學(xué)組成的影響。

 

圖 2：不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線

 

我們來看一下圖 3 中 LTC2944 怎樣對庫倫計數(shù)。請記住，電量是電流對時間的積分。LTC2944 通過監(jiān)視檢測電阻器兩端呈現(xiàn)的電壓，以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測量電量，檢測電壓范圍為 ±50mV，這里差分電壓加到一個自動調(diào)零的差分模擬積分器上以計算電量。當(dāng)積分器輸出斜坡變化到高基準(zhǔn)電平和低基準(zhǔn)電平 (REFHI 和 REFLO) 時，開關(guān)切換以改變斜坡方向。然后控制電路觀察開關(guān)狀態(tài)和斜坡方向以確定極性。接下來，可編程預(yù)分比例器允許用戶按照 1 至 4096 的因子增加積分時間。隨著預(yù)分比例器每次下溢或上溢，累積電量寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個數(shù)。

 

圖 3：LTC2944 以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測量電量

 

值得一提的是，LTC2944 的庫倫計數(shù)器中使用的模擬積分器引入的差分偏移電壓最小，因此最大限度減小了對總體電量誤差的影響。很多庫倫計數(shù)電池電量計對檢測電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以計算電量。在這種方法中，差分偏移電壓可能是主要的誤差源，尤其是在獲取小信號讀數(shù)時。例如，考慮一個電池電量計，該電量計采用基于 ADC 的庫倫計數(shù)器，最大規(guī)定差分電壓偏移為 20µV，當(dāng)以數(shù)字方式對 1mV 輸入信號進(jìn)行積分時，偏移導(dǎo)致的電量誤差會是 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器時，偏移導(dǎo)致的電量誤差僅為 0.04%，為前者的 1/50！

 

回到基本要素 - 電壓、電流和溫度

 

如果庫倫計數(shù)負(fù)責(zé)增強(qiáng)電壓讀數(shù)的可靠性和區(qū)分充電或放電曲線的平坦區(qū)域，那么電流和溫度就是負(fù)責(zé)獲取最相關(guān)的曲線以開始測量的參數(shù)。挑戰(zhàn)是，電池的端電壓 (連接到負(fù)載時的電壓) 受到電池電流和溫度的顯著影響。因此，電壓讀數(shù)必須用校正項進(jìn)行補(bǔ)償，這些校正項與電池電流和開路電壓 (與負(fù)載斷接時的電壓) 隨溫度的變化是成比例的。因?yàn)閮H為了測量開路電壓而在運(yùn)行時斷開電池和負(fù)載的連接是不切實(shí)際的，所以好的做法是，至少逐個電流和溫度曲線調(diào)節(jié)端電壓讀數(shù)。

 

既然高 SOC 準(zhǔn)確度是終極設(shè)計目標(biāo)，所以 LTC2944 采用了一個 14 位無延遲增量累加 (No Latency ΔΣ™) ADC，分別以高達(dá) 1.3% 和 ±3°C 的保證準(zhǔn)確度測量電壓、電流和溫度。實(shí)際上，LTC2944 的典型性能好得多。圖 4 中的曲線顯示，LTC2944 的某些有價值的準(zhǔn)確度數(shù)字是怎樣隨溫度和電壓而變化的。圖 4a 顯示，測量電壓時，隨檢測電壓變化，ADC 總的未調(diào)整誤差一般在 ±0.5% 以內(nèi)，而且相當(dāng)恒定。類似地，圖 4b 顯示，測量電流時，隨溫度變化，ADC 增益誤差一般在 ±0.5% 以內(nèi)。最后，圖 4c 顯示，就任何給定檢測電壓而言，溫度誤差在溫度變化時僅變化約 ±1°C。所有這些準(zhǔn)確度數(shù)字加起來，可能很容易損害 SOC 準(zhǔn)確度，這就是為什么在眾多性能規(guī)格中要注意特定電池電量計測量電壓、電流和溫度的準(zhǔn)確程度，而這點(diǎn)是很重要。

 

 

圖 4a：測量電壓時 ADC 的增益誤差 

 

圖 4b：測量電流時 ADC 的增益誤差 

 

圖 4c：溫度誤差隨溫度的變化

 

測量電壓、電流和溫度時，LTC2944 提供 4 種 ADC 運(yùn)行模式。在自動模式，該器件每隔幾毫秒連續(xù)執(zhí)行 ADC 轉(zhuǎn)換，在掃描模式，該器件每 10 秒轉(zhuǎn)換一次，然后進(jìn)入休眠模式。在手動模式，該器件按照命令進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入休眠模式。無論何時，只要該器件進(jìn)入休眠模式，靜態(tài)電流就被最大限度降至 80µA。LTC2944 的整個模擬部分還可以完全關(guān)斷，以進(jìn)一步將靜態(tài)電流降至 15µA，因?yàn)橛脩糇畈幌胍囊患?，就是電池電量計令人啼笑皆非地消耗大量電池功率?/div>