滿足所有設(shè)計的電量計

隨著智能手機和平板電腦等傳統(tǒng)消費電子產(chǎn)品的發(fā)展進入停滯期，許多有創(chuàng)意的設(shè)計工程師開始專注于下一波創(chuàng)新浪潮。有一部分創(chuàng)新采用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的形式，充分發(fā)揮通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭子谠L問的數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，從而有可能利用大數(shù)據(jù)進行趨勢分析。其中許多設(shè)備無需插電，利用電池進行工作，或者在斷電的情況下使用電池作為備用，非常方便。

圖1

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式中，通常組織龐大的團隊，每一項開發(fā)任務都有專門的工程師負責；形成鮮明對比的是，現(xiàn)在越來越強調(diào)團隊的小型化和靈活性，以便盡快將產(chǎn)品推向市場，以及觀察其被接受程度，從而制定該產(chǎn)品領(lǐng)域的投資決策。也有許多初創(chuàng)公司擁有極富創(chuàng)造力的工程師，其核心競爭力不一定是電路設(shè)計，而更多是應用軟件開發(fā)或工業(yè)設(shè)計。這些工程師有時候?qū)㈦娮釉O(shè)計視為實現(xiàn)其想法的手段，而軟件才是將其與競爭對手區(qū)分開來的關(guān)鍵所在。另外還有日益盛行的創(chuàng)客運動(Maker Movement)，愛好者純粹為了自身樂趣而創(chuàng)造新事物，或者僅僅因為個人原因而奉獻出巨大的熱情。

電池管理的復雜性可能與這些頭腦風暴風馬牛不相及。他們只需要開箱即用的東西，并且很容易實現(xiàn)生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的電量計量方法中，需要團隊中的電源或電池專家與電量計廠商協(xié)同工作，建立適合電池使用的模型。其中包括在各種負載和溫度條件下對電池進行特征分析(如果有包含恒溫箱的專用電池測試設(shè)備可供使用)，或者將電池運輸?shù)诫娏坑嬛圃焐痰膶嶒炇疫M行特征分析。這就可能涉及到實際成本和無形成本。僅僅鋰離子電池的運輸物流就要接受越來越嚴格的安全審查，以及運輸時間問題。電池交付給電量計廠家后，可能需要數(shù)周的時間在各種不同負載和溫度條件下對電池進行完全地特征分析并建立模型。然后系統(tǒng)設(shè)計師才能夠?qū)⒍ㄖ频碾姵啬Ｐ吞砑拥诫娏坑嬛校_始評估和落實最終設(shè)計。

Maxim Integrated將最先進的超低功耗、混合信號IC技術(shù)與其ModelGauge™ m5 EZ電量計算法緊密結(jié)合，適逢其時地推出了創(chuàng)新解決方案。該算法被內(nèi)置到MAX1720x/MAX1721x超低功耗獨立式電量計IC。MAX17201/MAX17211監(jiān)測單節(jié)電池；MAX17205/MAX17215監(jiān)測和平衡2節(jié)或3節(jié)電池組，或者監(jiān)測多節(jié)串聯(lián)電池組。通過Maxim 1-Wire® (MAX17211/MAX17215)或2線 I2C (MAX17201/MAX17205)接口訪問數(shù)據(jù)和控制寄存器。

系統(tǒng)設(shè)計師利用評估軟件中的配置向?qū)?，很容易生成適合具體應用的電池模型，不存在與定制電池特征化相關(guān)的任何難題。系統(tǒng)設(shè)計師只需提供三條信息：1) 電池的設(shè)計容量是多少(常見于電池標簽或數(shù)據(jù)資料)；2) 每節(jié)電池的電壓為多少時即認為電池電量為空(取決于應用限制)；以及3) 電池充電電壓是否高于4.275V (多節(jié)電池串聯(lián)時，則指每節(jié)電池)。見圖2。

圖2

或

除電池建模外，配置向?qū)н€指導系統(tǒng)設(shè)計師完成各種硬件配置功能，例如：

·電池組原理圖(與多節(jié)串聯(lián)電池相關(guān))

·串聯(lián)電池的數(shù)量

·關(guān)斷模式(如果電池與系統(tǒng)分離)

·檢測電阻選擇

·溫度測量——IC內(nèi)部或使用外部熱敏電阻

·基于不同條件的報警，例如電壓、電流、溫度或電池電量狀態(tài)(SOC %)、過流檢測、極性

·電池壽命記錄

·通用非易失存儲器的使用

這就省去了對IC編程時為了設(shè)置寄存器而手動執(zhí)行各種配置時復雜而容易發(fā)生錯誤的任務。

那么在實際中是如何工作的呢？注意愛迪生在1883年的言論：“某人一旦開始從事輔助電池的工作，就算是挖掘出了撒謊的潛力。”全面、清晰地了解這項新技術(shù)的表現(xiàn)，避免夸大其詞非常重要。

Maxim開發(fā)了龐大的電池數(shù)據(jù)庫，包括電池在類似于用戶使用場景的各種測試條件下的特性和行為。這使得Maxim能夠利用之前收集的設(shè)計數(shù)據(jù)，驗證電量計算法的任何改進。利用該數(shù)據(jù)，Maxim分析了數(shù)百種不同容量電池的性能，繪制直方圖數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3

數(shù)據(jù)表明，在室溫及更高溫度下，94%以上測試用例的SOC誤差小于3%。這些測試用例排除了某些類型的電池，這些電池與更傳統(tǒng)、常規(guī)的化學物質(zhì)相比，開路電壓(OCV)與SOC%關(guān)系存在較大差異。

盡管這些結(jié)果看起來非常好，但如果我們在每種情況下使用定制精調(diào)的電池模型，會犧牲多少性能呢？圖4所示的直方圖為EZ模型與“精調(diào)”定制模型的比較，繪制成測試用例百分比與其誤差區(qū)間的關(guān)系。雖然1%區(qū)間的精調(diào)模型的用例數(shù)量確實較高，但3%誤差以下所有測試用例的集合表明，EZ模型涵蓋了95%的測試用例，而定制模型涵蓋了97%的測試用例?？紤]到建立定制模型所需的額外工作量、資源和時間，EZ模型看起來實際上非常具有吸引力。

圖4

另一種方式是在系統(tǒng)設(shè)計允許的特定誤差預算范圍內(nèi)對EZ和定制模型進行比較。圖5所示為誤差預算小于3%和小于5%情況下的對比。

與0%至100% SOC范圍內(nèi)的最差條件誤差相比，電量接近為空(例如10%)時的電量計精度實際上更有意義。如果電池狀態(tài)大約為50%，電量計指示為40%或60% (10%誤差)，不大可能會發(fā)生什么問題，因為在此時不會做出什么關(guān)鍵的電池管理決策。然而，當電池狀態(tài)為10%時，如果電量計指示為5% SOC，那么系統(tǒng)很可能會過早關(guān)斷，電池將得不到充分利用。相反，如果電池狀態(tài)為5%，而電量計指示為10% SOC，系統(tǒng)很可能會意外停機，不能實現(xiàn)有序地關(guān)斷。以上兩種情況都會造成很差的用戶體驗——前者造成工作時間短于預期，而后者造成突然關(guān)斷，使用戶感覺非常厭煩。

圖5

如果應用具有更嚴格的要求，并且也需要較高的低溫精度(0攝氏度)，類似的分析表明，SOC誤差預算小于5%時的結(jié)果接近相同。

所以，對于大量的各種應用，EZ配置性能的簡單性就改變了新產(chǎn)品開發(fā)的規(guī)則。

那么是什么原因使得ModelGauge m5 EZ配置能夠提供如此好的結(jié)果呢？奧妙之處在于擁有專利的ModelGauge m5算法利用實時電測量數(shù)據(jù)的方法，并將其轉(zhuǎn)換為有用的SOC%及其它電池信息。該算法擁有多種機制來消除模型與實際在用電池不匹配造成的誤差。這些機制也消除電測量中的誤差，防止對SOC%輸出造成不利影響。此外還有多種自適應機制來幫助電量計學習電池特性和提高精度。

ModelGauge m5算法既有庫侖計出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電壓電量計出色的長期穩(wěn)定性。算法的核心整合了OCV狀態(tài)估算和庫倫計數(shù)器。將Li+電池的OCV值與SOC%相關(guān)聯(lián)，并且這種關(guān)系在很大程度上與電池老化無關(guān)(見圖6)。

圖6. 電池的SOC%與OCV關(guān)系不隨老化而變化

在電池充放電循環(huán)中，上、下穿越該曲線的過程很大程度上消除了模型與電池不匹配造成的本地誤差。最初，電池首次連接到電量計IC時，與庫倫計數(shù)輸出相比，OCV狀態(tài)評估的權(quán)重較大。隨著電池在應用中繼續(xù)使用，庫倫計數(shù)器精度提高，混合算法改變權(quán)重，使庫倫計數(shù)器的結(jié)果起主要作用。由此，IC切換至伺服混合算法。伺服混合算法可以對庫倫計數(shù)進行固定幅度的連續(xù)誤差修正，根據(jù)OCV估算誤差的趨勢，調(diào)高或調(diào)低估算值，這允許快速修正庫倫計數(shù)和OCV估算之間的差異?；旌纤惴óa(chǎn)生的結(jié)果輸出不會因為電流測量失調(diào)誤差而產(chǎn)生漂移，比獨立OCV估算算法更穩(wěn)定(見圖7)。

圖7

無論在應用的工作過程中還是在待機條件下，連續(xù)對庫倫計數(shù)器進行修正。就實際情況而言，這意味著每天對庫倫計數(shù)器修正200,000次以上——步距非常微小，用戶幾乎感覺不到。無論電池是負載還是空載，都進行修正，與電池是否空閑無關(guān)；與其它競爭算法相比，這具有明顯優(yōu)勢。

隨著溫度和電池放電率的變化，能夠供給系統(tǒng)的電荷總量也會發(fā)生變化。ModelGauge m5算法能夠區(qū)分剩余電池容量和可供系統(tǒng)使用的剩余容量，并向用戶報告兩個結(jié)果。

算法根據(jù)電池模型和應用信息定期進行內(nèi)部調(diào)節(jié)，以消除初始誤差，隨著電池老化仍可維持計量精度。算法始終進行這種微調(diào)，避免系統(tǒng)不穩(wěn)定，還可防止電量計輸出出現(xiàn)任何顯著變化。自動學習無需主處理器進行任何輸入。除了估算電池的電量狀態(tài)外，IC也觀察電池的空載響應并調(diào)節(jié)電壓電量計的動態(tài)操作。

ModelGauge m5算法包括一項功能，可保證電量計輸出覆蓋電池電壓達到空電壓時的0%。當電池電壓達到預期空電壓時，IC平滑調(diào)節(jié)SOC%的變化率，使得電量計在電池達到空電壓時準確報告0%。這可防止意外關(guān)斷或者電量計過早報告0% SOC。這也提供了可消除模型不匹配引起的SOC%誤差的附加方法。

IC在較寬的工作條件下自動補償老化、溫度和放電率并以毫安時(mAh)或百分比(%)提供精確的電量狀態(tài)(SOC)。IC精確估算剩余工作時間、充滿時間、Cycle+TM老化預測，以及三種報告電池壽命的方法：容量降低、電池電阻增大和充電次數(shù)。

IC提供精確的電流、電壓和溫度測量。利用內(nèi)部溫度測量，以及輔助輸入支持比例測量，采用外部熱敏電阻測量電池組的溫度。通過檢測高電壓或低電壓、電流、溫度或電量狀態(tài)，IC可提供報警。IC也包括兩個可編程、快速過流比較器，允許檢測系統(tǒng)電流中的尖峰并報警，使系統(tǒng)做出相應的調(diào)節(jié)，防止此類可能造成電池突然崩潰的狀況。兩個比較器均具有可編程門限和可編程去抖延時。

為防止假冒電池，IC是唯一集成SHA-256認證及160位密鑰的獨立式電量計。每片IC具有唯一的64位ID。

IC采用便于制造、無鉛、3mm x 3mm、14引腳、TDFN封裝。

總而言之，最先進的電量計技術(shù)基于數(shù)十年的電池管理和設(shè)計經(jīng)驗，為從大型制造商到初創(chuàng)企業(yè)和愛好者的各類用戶提供世界級的電量計精度。ModelGauge m5 EZ產(chǎn)品允許設(shè)計師專注于其擅長的領(lǐng)域，而無需擔心電量計實施。