導(dǎo)語(yǔ)
智能手機(jī)、平板電腦、移動(dòng)無(wú)線設(shè)備、電池備份和便攜式醫(yī)療/保健等便攜式設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一，為了延長(zhǎng)電池壽命，我們需要準(zhǔn)確了解電池的電量，不能對(duì)鋰電池過(guò)充過(guò)放電，那么如何檢測(cè)電池剩余多少電量呢？其實(shí)在電池的內(nèi)部有一個(gè)電量計(jì)，用于指示可充電電池中的剩余電量以及在特定工作條件下電池還能持續(xù)供電的時(shí)間。
電池電量計(jì)知識(shí)百科
1.電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)
電源管理系統(tǒng)面對(duì)的最大難題是如何延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。除了尋找能量密度更高的新式電源外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也在尋找盡可能高效地利用電池電能的方法。他們大多將注意力集中在提高DC/DC轉(zhuǎn)換效率上，由此延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，而往往忽略了與電源轉(zhuǎn)換效率及電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)精確度的問(wèn)題。如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的誤差范圍是±10%，則為了防止丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只能利用90%的電池電能。這相當(dāng)于損失了10%的電池容量或電池運(yùn)行時(shí)間。 (詳細(xì)內(nèi)容)
2.電量計(jì)
電池電量計(jì)是一種測(cè)量電池累計(jì)電量的增加或減少的功能或器件，用于確定可充電電池中的剩余電量以及在特定工作條件下電池還能持續(xù)供電的時(shí)間，能夠精確估計(jì)電池的電量。
3.影響鋰電池電量的因素
①溫度
最上方的曲線顯示了鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過(guò)程。從該曲線可以看出，與-20℃下的充電數(shù)據(jù)相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。下方的兩條曲線表示，電池放電時(shí)受溫度的影響更大，這些曲線顯示了一個(gè)完全充滿的電池在兩種不同放電電流下放電到截止點(diǎn)2.5V時(shí)的剩余電量，從這兩條曲線可以看出電池剩余容量與放電電流、溫度有關(guān)。在給定溫度和放電速率下，所能獲得的鋰電池容量是最上方曲線與下方對(duì)應(yīng)曲線的差值。因此，在低溫或大電流放電時(shí)，鋰電池所能提供的容量將大幅減少。在低溫或大電流放電時(shí)，電池剩余電量較大，能夠在相同溫度下以較小的電流放電。
②自放電
由于電解質(zhì)中混有雜質(zhì)，電池內(nèi)部存在不期望的化學(xué)反應(yīng)，造成電量損失。常見(jiàn)的電池類型在室溫下的典型自放電率見(jiàn)表�；瘜W(xué)反應(yīng)的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)。對(duì)于不同類型的電池，自放電可以用一個(gè)并聯(lián)電阻消耗漏電流進(jìn)行建模。
③充放電次數(shù)電池容量隨著充放電次數(shù)的增加而減少，這種變化被量化為工作壽命，即一個(gè)電池在其容量降至初始容量80%之前的充、放電次數(shù)。典型鋰電池的工作壽命為300次~500次充/放電次數(shù)。
④時(shí)間
無(wú)論使用與否，電池容量在出廠后即開(kāi)始逐漸下降(詳細(xì)內(nèi)容)
鋰電池電量測(cè)量方法
1.電壓測(cè)量法
也就是說(shuō)電池的電量通過(guò)簡(jiǎn)單的監(jiān)控電池的電壓而得來(lái)的。但是從下圖中我們可以看到，電池的電量和電壓不是線性關(guān)系的，所以這中測(cè)試方法并不精準(zhǔn)。
鋰電池放電曲線
優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單
缺點(diǎn)：不精準(zhǔn)，電量測(cè)量精度僅僅超過(guò)20%。尤其是電池電量低于50%時(shí)，手機(jī)的電量計(jì)算將會(huì)變得非常不準(zhǔn)確。所以這種方法對(duì)電池的保護(hù)是非常有限的。
2.電池建模法
這個(gè)方法是根據(jù)電池的放電曲線來(lái)建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中會(huì)標(biāo)明不同電壓下的電量值。
優(yōu)點(diǎn)：相比電壓測(cè)試法更精準(zhǔn)一些
缺點(diǎn)：獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表并不簡(jiǎn)單因?yàn)殡妷汉碗娏康年P(guān)系還涉及到了電池的溫度、自放電、老化等的因素。只有結(jié)合了眾多的因素來(lái)進(jìn)行修正才能夠得出較滿意的電量測(cè)量。
4.阻抗追蹤法（TI Impedance Track）
TI 的阻抗跟蹤 TM 電池電量計(jì)技術(shù)是一種功能強(qiáng)大的自適應(yīng)算法，其會(huì)記住電池特性隨時(shí)間的變化情況。將這種算法與電池組具體的化學(xué)屬性結(jié)合可以非常準(zhǔn)確地知道電池的充電狀態(tài) (SOC)，從而延長(zhǎng)電池組使用壽命。(詳細(xì)內(nèi)容)
優(yōu)點(diǎn)：溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)更好的低溫性能，精度更高
缺點(diǎn)：技術(shù)較為復(fù)雜
3.庫(kù)侖計(jì)
庫(kù)侖計(jì)是在電池的正極和負(fù)極串如一個(gè)電流檢查電阻，當(dāng)有電流流經(jīng)電阻時(shí)就會(huì)產(chǎn)生Vsense，通過(guò)檢測(cè)Vsense就可以計(jì)算出流過(guò)電池的電流。其中iPhone中就是采用這一方法。
優(yōu)點(diǎn)：精度可達(dá)1%，可降低電池老化等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
缺點(diǎn)：在電池長(zhǎng)期不工作的使用模式下。如果電池在充電后幾天都未使用，或者幾個(gè)充、放電周期都沒(méi)有充滿電，那么由內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)引起的自放電現(xiàn)象就會(huì)變得非常明顯。在這種情況下測(cè)量結(jié)果將不再那么精準(zhǔn)。
前兩種方法是以電壓測(cè)量為基礎(chǔ)，第三種庫(kù)倫記監(jiān)測(cè)方法是以電流積分為基礎(chǔ)。
以上三種測(cè)試方法中庫(kù)倫計(jì)的精度是最高的，他可以在不損傷電池的情況下降低電池的放電截止電壓，使電池的容量得到最大限度的利用，特別是對(duì)于低電壓系統(tǒng)和使用多次的電池。另外還可以以更高精確地發(fā)出電池電量不足的警告信息，以避免用戶在使用的過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)。
庫(kù)倫計(jì)工作原理（電流積分）
簡(jiǎn)化的電池電量計(jì)如圖所示：
其中，RSNS為mΩ級(jí)檢流電阻，RL為負(fù)載電阻。電池通過(guò)開(kāi)關(guān)、RSNS對(duì)RL放電時(shí)的電流IO在RSNS兩端產(chǎn)生的壓降為 VS(t)=IO(t)×RSNS。電量計(jì)持續(xù)檢測(cè)RSNS兩端的壓差VS，并將其通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為N位的數(shù)字量Current(簡(jiǎn)稱CR)，之后以時(shí)基確定的速率進(jìn)行累加，M位累加結(jié)果Accumulated_Current(簡(jiǎn)稱ACR)的單位為Vh(伏時(shí))。對(duì)量化后的VS進(jìn)行累加相當(dāng)于對(duì)其進(jìn)行積分，結(jié)果為：
將ACR值除以檢流電阻RSNS的阻值即得到以Ah(安時(shí))為單位的電池容量。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果和累加后的結(jié)果都帶有符號(hào)位，按照?qǐng)D1中的連接方式，充電時(shí)CR為正，ACR遞增;放電時(shí)CR為負(fù)，ACR遞減。外部微控制器可以讀取CR和ACR值，經(jīng)過(guò)換算得到真實(shí)的充放電電流和電量值。
干電池電量測(cè)量方法
| 測(cè)量方法 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
|---|---|---|
| 測(cè)量電池瞬時(shí)短路電流來(lái)估算電池的內(nèi)阻，進(jìn)而判斷電池電量是否充足 | 簡(jiǎn)便，用萬(wàn)用表的大電流檔就可直接判斷出干電池的電量 | 測(cè)試電流很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)干電池允許放電電流的極限值，在一定程度上影響干電池使用壽命 |
| 用電流表串聯(lián)一只阻值適當(dāng)?shù)碾娮瑁ㄟ^(guò)測(cè)量電池的放電電流計(jì)算出電池內(nèi)阻，從而判斷電池電量是否充足。 | 測(cè)試電流小，安全性好，一般不會(huì)對(duì)干電池的使用壽命產(chǎn)生不良影響 | 較為麻煩 |
| (詳細(xì)內(nèi)容) | ||
