【導(dǎo)讀】隨著時(shí)間流逝，我們對(duì)每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點(diǎn)熟悉了，而且知道對(duì)設(shè)備報(bào)告的數(shù)字信賴(lài)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(hù)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有充足的電量，情形可能更加緊急，例如使用電動(dòng)自行車(chē)、電池備份系統(tǒng)、電動(dòng)工具或醫(yī)療設(shè)備等情況。
引言
我們很多人都會(huì)用到電池供電設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備會(huì)顯示當(dāng)前還有多少電量或運(yùn)行時(shí)間，特別是因?yàn)椋覀儽患依锏谋姸嘈∑骶咚鼑碾妱?dòng)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(shí)間流逝，我們對(duì)每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點(diǎn)熟悉了，而且知道對(duì)設(shè)備報(bào)告的數(shù)字信賴(lài)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(hù)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有充足的電量，情形可能更加緊急，例如使用電動(dòng)自行車(chē)、電池備份系統(tǒng)、電動(dòng)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(shí)長(zhǎng)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，因此我們會(huì)重視準(zhǔn)確的電池電量測(cè)量，或者重視評(píng)估在某一時(shí)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(cè)量一般也是智能化多節(jié)電池系統(tǒng)中會(huì)有的多種功能之一。不管提供什么功能，電池系統(tǒng)都面對(duì)一套獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(chēng)為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率始終隨時(shí)間流逝而降低，同時(shí)充電和放電速率隨溫度改變而變化。設(shè)計(jì)良好的電池系統(tǒng)盡可能多地連續(xù)應(yīng)對(duì)這類(lèi)參數(shù)漂移，以向最終用戶(hù)提供準(zhǔn)確度一致的電池性能標(biāo)準(zhǔn)，例如充電時(shí)間、估計(jì)電量或預(yù)期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))。
簡(jiǎn)言之，準(zhǔn)確的電池電量測(cè)量需要準(zhǔn)確的電池電量計(jì) IC 和一個(gè)相關(guān)和針對(duì)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(cè)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(chǎng)上有集成了電池模型和算法以直接估計(jì) SOC 的電池電量計(jì)，但是經(jīng)過(guò)抽絲剝繭，我們發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)設(shè)備的 SOC 估計(jì)方法往往過(guò)于簡(jiǎn)化，代價(jià)是極大地?fù)p害了準(zhǔn)確度。此外，這類(lèi)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(lái)看一下圖 1 所示的凌力爾特 LTC2944，這是一款簡(jiǎn)便的 60V 電池電量計(jì)，專(zhuān)門(mén)為準(zhǔn)確測(cè)量單節(jié)或多節(jié)電池的電量提供了最基本的功能。
圖 1：LTC2944 60V 電池電量計(jì)
依靠庫(kù)倫計(jì)數(shù)
目前的研究顯示，精確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)以及精確的電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計(jì) 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(xiàn)的哪一點(diǎn)上，這時(shí)庫(kù)倫計(jì)數(shù)不僅使電壓讀數(shù)更可靠，而且有助于區(qū)分曲線(xiàn)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(xiàn)。庫(kù)倫計(jì)數(shù)有助于避開(kāi)以下情形：設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間誤導(dǎo)性地報(bào)告 75% SOC，然后突然降至 15% SOC。這種情形往往發(fā)生在僅通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)估算 SOC 的設(shè)備中。為了對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)，用戶(hù)要將庫(kù)倫計(jì)數(shù)器初始化至一個(gè)已知的、電池滿(mǎn)充電時(shí)的電池容量，然后當(dāng)放電時(shí)倒計(jì)數(shù)，或充電時(shí)正計(jì)數(shù) (以解釋部分充電)。這種方法的優(yōu)勢(shì)是，電池化學(xué)組成不必是已知的。因?yàn)?LTC2944 集成了一個(gè)庫(kù)倫計(jì)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(jì)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(xiàn)
我們來(lái)看一下圖 3 中 LTC2944 怎樣對(duì)庫(kù)倫計(jì)數(shù)。請(qǐng)記住，電量是電流對(duì)時(shí)間的積分。LTC2944 通過(guò)監(jiān)視檢測(cè)電阻器兩端呈現(xiàn)的電壓，以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測(cè)量電量，檢測(cè)電壓范圍為 ±50mV，這里差分電壓加到一個(gè)自動(dòng)調(diào)零的差分模擬積分器上以計(jì)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(shí)，開(kāi)關(guān)切換以改變斜坡方向。然后控制電路觀察開(kāi)關(guān)狀態(tài)和斜坡方向以確定極性。接下來(lái)，可編程預(yù)分比例器允許用戶(hù)按照 1 至 4096 的因子增加積分時(shí)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(gè)數(shù)。
圖 3：LTC2944 以高達(dá) 99% 的準(zhǔn)確度測(cè)量電量
值得一提的是，LTC2944 的庫(kù)倫計(jì)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(duì)總體電量誤差的影響。很多庫(kù)倫計(jì)數(shù)電池電量計(jì)對(duì)檢測(cè)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(jì)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(hào)讀數(shù)時(shí)。例如，考慮一個(gè)電池電量計(jì)，該電量計(jì)采用基于 ADC 的庫(kù)倫計(jì)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(duì) 1mV 輸入信號(hào)進(jìn)行積分時(shí)，偏移導(dǎo)致的電量誤差會(huì)是 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器時(shí)，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(kù)倫計(jì)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(xiàn)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(xiàn)以開(kāi)始測(cè)量的參數(shù)。挑戰(zhàn)是，電池的端電壓 (連接到負(fù)載時(shí)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(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，這些校正項(xiàng)與電池電流和開(kāi)路電壓 (與負(fù)載斷接時(shí)的電壓) 隨溫度的變化是成比例的。因?yàn)閮H為了測(cè)量開(kāi)路電壓而在運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)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(gè)電流和溫度曲線(xiàn)調(diào)節(jié)端電壓讀數(shù)。
既然高 SOC 準(zhǔn)確度是終極設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以 LTC2944 采用了一個(gè) 14 位無(wú)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(cè)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(xiàn)顯示，LTC2944 的某些有價(jià)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(cè)量電壓時(shí)，隨檢測(cè)電壓變化，ADC 總的未調(diào)整誤差一般在 ±0.5% 以?xún)?nèi)，而且相當(dāng)恒定。類(lèi)似地，圖 4b 顯示，測(cè)量電流時(shí)，隨溫度變化，ADC 增益誤差一般在 ±0.5% 以?xún)?nèi)。最后，圖 4c 顯示，就任何給定檢測(cè)電壓而言，溫度誤差在溫度變化時(shí)僅變化約 ±1°C。所有這些準(zhǔn)確度數(shù)字加起來(lái)，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(jì)測(cè)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(cè)量電壓時(shí) ADC 的增益誤差
圖 4b：測(cè)量電流時(shí) ADC 的增益誤差
圖 4c：溫度誤差隨溫度的變化
測(cè)量電壓、電流和溫度時(shí)，LTC2944 提供 4 種 ADC 運(yùn)行模式。在自動(dòng)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(dòng)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(wú)論何時(shí)，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(gè)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?hù)最不想要的一件事，就是電池電量計(jì)令人啼笑皆非地消耗大量電池功率。
便利的接口
用戶(hù)可以通過(guò)數(shù)字 I2C 接口，從 LTC2944 讀出電池電量、電壓、電流和溫度。用戶(hù)還可以通過(guò) I2C，配置幾個(gè) 16 位寄存器，這樣就可以讀出狀態(tài)、控制接通/斷開(kāi)并針對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)定可報(bào)警的高低門(mén)限。有了報(bào)警系統(tǒng)，就無(wú)需軟件連續(xù)輪詢(xún)，因此 I2C 總線(xiàn)和主機(jī)有時(shí)間去執(zhí)行其他任務(wù)。此外，ALCC 引腳既用作 SMBus 警報(bào)輸出端，又用作可連至電池充電電路充電完成輸出端的充電完成輸入端。有了所有這些數(shù)字功能，有人可能仍然會(huì)問(wèn)：“為什么 LTC2944 中沒(méi)有置入電池電量曲線(xiàn)或容量 / SOC 估計(jì)算法?” 答案很簡(jiǎn)單 ─ 這完全歸結(jié)為 (也許不出所料) 準(zhǔn)確度問(wèn)題。
盡管內(nèi)置電池電量曲線(xiàn)和算法的電池電量計(jì)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但是作為真實(shí)世界電池行為的模型，這些曲線(xiàn)和算法常常次數(shù)不足或缺乏相關(guān)性，在測(cè)量過(guò)程中草率地犧牲了 SOC 準(zhǔn)確度。例如：用戶(hù)可能被迫使用由未規(guī)定的來(lái)源或在未知溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的通用充電和放電曲線(xiàn)；曲線(xiàn)和算法也許不支持用戶(hù)使用的電池化學(xué)組成，這對(duì) SOC 準(zhǔn)確度造成了又一個(gè)打擊。重點(diǎn)是，準(zhǔn)確的電池建模一般會(huì)考慮很多變量，而且足夠復(fù)雜，這樣對(duì)用戶(hù)才是有意義的，用戶(hù)可以用軟件對(duì)自己的電池建模，以獲得最高的 SOC 準(zhǔn)確度，而不是依靠不準(zhǔn)確的通用內(nèi)置模型。這類(lèi)內(nèi)置模型還使電池電量計(jì)不夠靈活，難以在不同設(shè)計(jì)中重用。換個(gè)說(shuō)法，更改軟件比更改硬件容易得多，與更換也需要配置的電池電量計(jì)相比，更改特定于應(yīng)用的代碼容易得多。
如果通過(guò)非常方便的 I2C 接口提供所有這些必要的電池測(cè)量參數(shù)和無(wú)與倫比的準(zhǔn)確度還不夠的話(huà)，那么高壓功能就是使 LTC2944 真正不同于今天市場(chǎng)上其他電池電量計(jì)之處了。LTC2944 可直接從低至 3.6V 的電池到高達(dá) 60V 的滿(mǎn)充電電池組供電，從而滿(mǎn)足了從低功率便攜式電子產(chǎn)品到大功率電動(dòng)型汽車(chē)的任何應(yīng)用的需求。無(wú)需在電源或測(cè)量引腳上使用額外的電平移位電路而使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，電池 (或電池組) 與 LTC2944 之間可以直接連接，這極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。最大限度減少外部組件數(shù)量也降低了總體功耗，并提高了準(zhǔn)確度，因?yàn)椴淮嬖陔娮璺謮浩鞯冉M件。
結(jié)論
電池電量測(cè)量本身是一門(mén)藝術(shù)，因?yàn)橛泻芏嘞嗷ヒ蕾?lài)的、影響 SOC 的參數(shù)。全球的專(zhuān)家們都認(rèn)為，準(zhǔn)確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)與電壓、電流和溫度讀數(shù)相結(jié)合，為估計(jì) SOC 提供了最準(zhǔn)確的方法。LTC2944 電池電量計(jì)提供所有這些基本測(cè)量，并有意不包括內(nèi)部電池模型，從而允許用戶(hù)在特定于應(yīng)用的軟件中采用對(duì)自己有意義的電量曲線(xiàn)和算法。此外，通過(guò) I2C 非常容易訪問(wèn)測(cè)量及配置寄存器，同時(shí)高達(dá) 60V 的多節(jié)電池可以直接與 LTC2944 連接。對(duì)任何數(shù)量、任何化學(xué)組成的電池進(jìn)行電量測(cè)量從來(lái)沒(méi)有這么容易，或者更重要的是，從來(lái)沒(méi)有這么準(zhǔn)確。
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