【導(dǎo)讀】隨著時間流逝，我們對每種設(shè)備的準(zhǔn)確度水平也有點熟悉了，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。
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，特別是因為，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)，因為電池的電氣特性始終處于變化之中。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?，F(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。
圖 1：LTC2944 60V 電池電量計
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。因為 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。因為僅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，因為用戶最不想要的一件事，就是電池電量計令人啼笑皆非地消耗大量電池功率。
便利的接口
用戶可以通過數(shù)字 I2C 接口，從 LTC2944 讀出電池電量、電壓、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C，配置幾個 16 位寄存器，這樣就可以讀出狀態(tài)、控制接通/斷開并針對每個參數(shù)設(shè)定可報警的高低門限。有了報警系統(tǒng)，就無需軟件連續(xù)輪詢，因此 I2C 總線和主機(jī)有時間去執(zhí)行其他任務(wù)。此外，ALCC 引腳既用作 SMBus 警報輸出端，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，有人可能仍然會問：“為什么 LTC2944 中沒有置入電池電量曲線或容量 / SOC 估計算法?” 答案很簡單 ─ 這完全歸結(jié)為 (也許不出所料) 準(zhǔn)確度問題。
盡管內(nèi)置電池電量曲線和算法的電池電量計可以簡化設(shè)計，但是作為真實世界電池行為的模型，這些曲線和算法常常次數(shù)不足或缺乏相關(guān)性，在測量過程中草率地犧牲了 SOC 準(zhǔn)確度。例如：用戶可能被迫使用由未規(guī)定的來源或在未知溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的通用充電和放電曲線；曲線和算法也許不支持用戶使用的電池化學(xué)組成，這對 SOC 準(zhǔn)確度造成了又一個打擊。重點是，準(zhǔn)確的電池建模一般會考慮很多變量，而且足夠復(fù)雜，這樣對用戶才是有意義的，用戶可以用軟件對自己的電池建模，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。這類內(nèi)置模型還使電池電量計不夠靈活，難以在不同設(shè)計中重用。換個說法，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相比，更改特定于應(yīng)用的代碼容易得多。
如果通過非常方便的 I2C 接口提供所有這些必要的電池測量參數(shù)和無與倫比的準(zhǔn)確度還不夠的話，那么高壓功能就是使 LTC2944 真正不同于今天市場上其他電池電量計之處了。LTC2944 可直接從低至 3.6V 的電池到高達(dá) 60V 的滿充電電池組供電，從而滿足了從低功率便攜式電子產(chǎn)品到大功率電動型汽車的任何應(yīng)用的需求。無需在電源或測量引腳上使用額外的電平移位電路而使設(shè)計復(fù)雜化，電池 (或電池組) 與 LTC2944 之間可以直接連接，這極大地簡化了硬件設(shè)計。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，因為不存在電阻分壓器等組件。
結(jié)論
電池電量測量本身是一門藝術(shù)，因為有很多相互依賴的、影響 SOC 的參數(shù)。全球的專家們都認(rèn)為，準(zhǔn)確的庫倫計數(shù)與電壓、電流和溫度讀數(shù)相結(jié)合，為估計 SOC 提供了最準(zhǔn)確的方法。LTC2944 電池電量計提供所有這些基本測量，并有意不包括內(nèi)部電池模型，從而允許用戶在特定于應(yīng)用的軟件中采用對自己有意義的電量曲線和算法。此外，通過 I2C 非常容易訪問測量及配置寄存器，同時高達(dá) 60V 的多節(jié)電池可以直接與 LTC2944 連接。對任何數(shù)量、任何化學(xué)組成的電池進(jìn)行電量測量從來沒有這么容易，或者更重要的是，從來沒有這么準(zhǔn)確。
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