關於電池電量計的設計分析和介紹

2021-01-18 電子發燒友

只要有機會，我就會對手機進行充電，因為不想面對手機沒電的情況，也不想電池被過度使用，想盡力延長它的壽命。即使這麼關心它，我前段時間還是發現手機電池的消耗速度明顯加快了，於是決定將電池電量耗盡以糾正電量計算的誤差，然後就發現電量計量數據在到了 1% 以後就長時間不變了，我讓手機死命工作好久以後才使它實現了自動關機。

根據我對電量計算方法的理解，我的 iPhone 手機使用的是庫倫電量計，這是一種理論上完全正確、實際上有不足的計算方法，它所帶來的問題是累積誤差，上面所說我的手機的反應就是由這種累積誤差導致的，數據已經告訴系統快沒電了，但電池裡其實還有很多電可用，所以它就停在 1% 那個地方不動了，直到電池真的被耗盡、電池電壓低到關機閾值才真的實現關機，這個現象其實讓我對手機的信息顯示產生了懷疑的結果。

庫倫電量計的實現方法大概是這樣的：

通過一個電阻將流入、流出電池的電流信號轉化為電壓信號，再用 A/D 轉換器將此信號轉化為可計數的數據信息，電流流入則使計數器數值增加，電流流出則使計數器數值減少。計數器的數值是經過標定的，電池被充滿的時候要使計數器的數值為滿幅度值，電池被耗盡的時候要使計數器的數值為 0，只有經過標定後的計數值才能與準確的電量數據對應起來。

這種庫倫計量的方法看起來是非常合理的，但是有些誤差卻無法被避免。

人們雖然可以將電流檢測和 A/D 轉換器設計到非常精確的程度，但是怎麼精確都會有誤差存在，這是進行 A/D 轉換時不得不面對的事實。

電池自身的放電不能被庫倫電量計檢測到，因為這部分電流不會經過電流檢測電阻，而且這種自放電還隨著電池的溫度在發生變化，想對它進行評估以糾正其導致的誤差也是一件難事。下圖顯示了溫度與電池自放電之間的關係：

使用不同的放電率對電池進行放電，電池的容量是不相等的，也就是說電池容量隨電流的大小在發生變化，你想單純用電流信息對電量進行計算是有明顯不足的。

當溫度發生變化的時候，電池的容量也變了，你只計量電流量怎能反應電池的真實容量呢？

電池在實際使用中所面臨的狀況是千差萬別的，所有的問題都可能導致電量計算誤差的存在，而且誤差還會隨著時間的延長而積累起來。

我不知道這些內容是否已經將可能導致電量計算誤差的所有因素涵括了，我也沒有見過誰這麼詳細的去羅列這些問題，但還是不能排除從直覺上看庫倫電量計都是最合理的設計的結論，所以市場上的早期玩家都是庫倫電量計的擁躉，而且掌握了大量的市場。

庫倫電量計雖有不足，但畢竟被大量使用著，我的 iPhone 裡就是用的這樣的東西，或許你的手機也是。根據它的實現原理，你需要經常對它進行標定以糾正其累積誤差，這可以利用三個時間點來進行：電池充滿時，電池耗盡時，電池休息好了的時候，這幾種狀態下都可以對電池的容量進行比較準確的評估，把握好了就可以把誤差壓到一定的範圍內，如下圖所示：

本文開頭說的把電池耗盡就是在為糾正電量誤差提供條件，而充滿則是經常都在進行，所以就不用特別操作了。但是即便如此，準確的電量數據還是很難獲得，因為所謂的充滿都是以充電截止電壓和充電截止電流為指標來做的判斷，所謂的耗儘是以放電截止電壓來做的判斷，而這些都是存在實施誤差的，而且開展的過程也在不斷改變電池本身的容量。

所謂的電池休息好了是指電池在既不充電、也不放電的狀態下靜置一段時間以後的狀態，這時候的電池電壓是穩定的，測得該數據以後就可以將此數據和實際的電量數據連接起來，這種評估電池電量的方法被稱為開路電壓查表法。

在實施所有這些方法的時候，我們都需要知道電池的實際容量是多少，但通常一個設計者只能知道電池最初的額定容量，最初的實際容量會因電池的不同個體而不同，初始容量相同的電池在實際使用中的容量衰減速度也是不同的，因為有很多影響容量衰減速度的因素存在（溫度、充放電電流、電壓等），除了上面已經提供的信息以外，我經常用到的還有下面兩幅圖，它們分別說明了充電電壓和充電電流對電池容量和循環壽命的影響。

為了彌補大電流充電對電池壽命的影響，現在流行的快充常常會主動降低充滿電壓的閾值，雖然這會造成其當前充電量的損失，但是對提升電池壽命有幫助。又由於可以快充，用戶對當前容量的降低不會太敏感，再加上電池容量通常都很大，用戶實際上的感受都會比較好。如果哪一天我也開始使用具有快充功能的手機了，我會主動不使用它的快充特性，這樣便從技術的角度為手機實現長壽命提供了幫助。這裡提到的長壽法要如何實施是值得思考的，但我並不想在這裡說出答案，避免剝奪了讀者自己思考的機會。

設計更好的電池電量計的方案其實就隱藏在上面已經述及的內容中，只是其實施其實也是個大工程，這需要對電池特性有充分的理解，也需要強大的數據處理能力。當我在幾年前看到立錡推出的第一代電量計產品 RT9420/RT9428 時，我便意識到自己所在的立錡科技已經不是一個單純的模擬 IC 供應商了。現在立錡又推出了更加完善的第二代產品 RT9422，我便知道它的能力又上了一個臺階。這些產品都有什麼樣的特性呢？限於篇幅限制，主要是不想一次性給讀者太多的閱讀壓力，這裡就不細說了，請真正感興趣的讀者到立錡科技官網輸入型號進行查詢吧，點擊文末的閱讀原文可以快速前往。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 讓電池電量計更精確
    編者按：本文介紹一種新的高精度技術用於電池電量計，可幫助手機和其它可攜式設備用戶避免系統意外關閉的不便和無奈。 摘要：本文介紹一種新的高精度技術用於電池電量計，可幫助手機和其它可攜式設備用戶避免系統意外關閉的不便和無奈。
  • 電池電量計的原理與計算
    圖1 簡化的電池電量計框圖最早應用的方法是通過監視電池開路電壓來獲得剩餘容量。電池容量可以預置，也可在後續的完整充電周期中進行學習。在補償電池自放電、不同溫度下的容量變化等因素後，這種方法可以獲得令人滿意的精度，因此廣泛運用於筆記本電腦等高端應用中。電池電量計工作原理電池電量計對流入/流出電池的總電流持續進行積分，並將積分得到的淨電荷數作為剩餘容量。簡化的電池電量計如圖1所示。
  • 電池電量計的原理與計算(圖)
    充電電池容量估算方法在多數便攜應用中，都需要隨時了解電池剩餘容量以估算電池使用時間。圖1 簡化的電池電量計框圖最早應用的方法是通過監視電池開路電壓來獲得剩餘容量。　　電池電量計工作原理電池電量計對流入/流出電池的總電流持續進行積分，並將積分得到的淨電荷數作為剩餘容量。簡化的電池電量計如圖1所示。其中，RSNS為mΩ級檢流電阻，RL為負載電阻。
  • 通過電量計IC延長電池電力運行時間
    通過在所有操作條件下持續估算電池電量，這些設備執行許多重要任務，包括延長系統運行時間和電池壽命，幫助管理電池的運行狀況，並通過報告故障狀況來提高安全性。同時，通過執行原本需要使用分立元件的任務，電量計IC有助於減少元件數量，成本和產品佔用空間，同時最大限度地減少系統處理器上的軟體開銷。 然而，準確估算鋰離子（Li-ion）電池的容量並非易事。
  • 利用阻抗跟蹤TM電量計改善電池備用系統的LiFePO4電池平衡
    TI 的阻抗跟蹤電池電量計技術是一種專有算法，它可獲取隨時間變化的電量和阻抗信息，從而精確地計算出充電狀態（SOC）和剩餘電量。電池備用電源應用中，每隔幾天電池便會出現短暫的充電以對自放電進行再補充，很少會出現完全放電的情況。在處理這種應用時，我們需要知道一些特殊條件。
  • 智能電池電量計,如何有效改進動態血糖監視儀的電池使用壽命
    聚合器單元是由電池供電的手持單元，可以利用如近場通信等無線射頻（RF）技術來讀取血糖數據。聚合器單元的電池管理子系統由電池充電器、電池電量計和保護器構成。3.7 V鋰離子單電池就可運行一般的聚合器單元。其可通過電源適配器的USB或DC輸入進行充電。
  • 使用電量計IC能監測鋰離子電池的充電狀態
    使用電量計IC能監測鋰離子電池的充電狀態 電子設計 發表於 2019-03-13 08:06:00 對於依靠鋰離子電池供電的電路，仍需要專用技術來確定電池中的剩餘電量，而這種技術將使能量收集應用的設計複雜化。
  • 單節鋰電池電量計相關技術概述
    電量計存在的目的, 就是不管在哪一個電池使用的時間點, 可以精確的估算出電池剩餘電量, 更進一步的, 依據目前設備的能耗狀況, 估算出剩餘可用時間。從使用者角度來看, 如果能更進一步的估算出看電影還可以看多久, 打電話還可以打多久, 甚至於要作視頻會議還可以講多久, 玩遊戲可以玩多久等等的時間估算, 可以說是把電量計的功能提升到最高的境界。
  • 電池電量檢測晶片
    一個不錯的電池電量監測計至少需要一些測量電池電壓、電池組溫度和電流的方法、一顆微處理器、以及一種業經驗證的電池電量監測計算法。bq2650x 和 bq27x00 均為完整的電池電量監測計，其擁有一個用於電壓和溫度測量的模數轉換器 (ADC) 以及一個電流和充電感應 ADC。這些電池電量監測計還擁有一顆運行 TI 電池電量監測計算法的內部微處理器。
  • 如何為可穿戴設備選用更準確的電量計
    在市場日益顯著增長的同時，如何提高電量計的準確性成為了亟待解決的問題。傳統內置於可穿戴設備的電量計可提供的精確度約±8%。因此如果指示器顯示剩餘電量為10%，那麼實際值可能低至2%。用戶往往以為設備可以再工作一段時間，而系統卻突然意外關閉，丟失未保存的關鍵數據和工作，為用戶的使用帶來不便。試想如果這種故障發生在醫療環境，還有可能危及生命。
  • ...發布業界首款可連續監測自放電並提供保護功能的鋰離子電池電量計
    > MAX17320 2-4節串聯鋰離子電池電量計IC是業界首款能夠在工作期間監測自放電的電量計IC，其最高精度和最低靜態電流可大幅延長電池壽命。
  • 更準確的電量計採用內部電阻跟蹤電流-電壓用於可穿戴設備
    基於內部電阻跟蹤電流-電壓(HG-CVR)的混合計量法　　更準確地測量剩餘電池電量的更佳的方案是採用基於精密的模數轉換(ADC)技術的板載電量計，並在電量計內置誤差校正和溫度補償。　　安森美半導體的LC70920XF智能鋰電池電量計IC 克服庫侖計數電量計的弊端，解決上述設計挑戰：結合低功耗工作及高精度計量，通過減少磨損確保更長的電池使用時間，此外，沒有外部檢測電阻意味著沒有功率損耗並節省寶貴的PCB空間。
  • 電池剩餘電量顯示 手機是如何做到的?
    因此手機電量功能極為重要，它一方面為我們提供電量提醒，另一方面還起到了保護電池的功能，因為過度放電和過度充電對電池都是有損害的。 手機是如何知道電池剩餘多少電量呢？其實在電池的內部有一個電量計，用於指示可充電電池中的剩餘電量以及在特定工作條件下電池還能持續供電的時間。 現在設備中大概有三種類型監測方法的電量計： 電壓測試法 也 就是說電池的電量通過簡單的監控電池的電壓而得來的。
  • 【電源開關秘笈】精確預測設備的剩餘電池電量和運行時間
    這些具有更多特性與功能的設備要求更高的電量，所以電池必須能夠提供更多的能量以及更長的運行時間。對於電池供電的系統而言，最大的挑戰在於電池的運行時間。通常，電子系統設計人員通常將注意力集中在提高 dc-dc 電源轉換效率上以此來延長電池的運行時間，而往往會忽略與電源轉換效率和電池容量同等重要的電池電量監測計的精確度問題。
  • 手機是如何知道電池剩餘多少電量?
    智慧型手機時代，電池都不怎麼給力，出門前必須要先瞧一瞧，如果一半都不夠，那很有可能幾個小時後手機便自動關機，從此成為了失蹤人士。因此手機電量功能極為重要，它一方面為我們提供電量提醒，另一方面還起到了保護電池的功能，因為過度放電和過度充電對電池都是有損害的。
  • 乾電池電量檢測 - CSDN
    不同的電池模型有不同的自放電速度，這取決於充電狀(SOC)、溫度以及電池的充放電循環歷史等因素。創建自放電的精確模型需要花費相當長的時間進行數據搜集，即便這樣仍不能保證結果的準確性。 該方法還存在另外一個問題，那就是只有在完全充電後立即完全放電，才能夠更新總電量值。如果在電池壽命期內進行完全放電的次數很少，那麼在電量監測計更新實際電量值以前，電池的真實容量可能已經開始大幅下降。
  • 剩餘電量為啥測不準-電池,電動車,電瓶,電量...
    具體而言，電池在放電中，電壓會隨著放電過程的持續而下降，電池生產商便可以依據此繪製出放電曲線，電壓值的變化直接對應了電池當前的放電程度，以此得出當前剩餘電量。需要注意的是，儘管鉛酸電池電壓隨電量變化較大，但變化區間實際上還是非常小的，加之在車輛行駛過程中負載不斷變化，尤其是在起步和急加速時，電池需要瞬間輸出大電流。
  • 德州儀器推出最小鋰電池電量監測計IC
    德州儀器（TI）宣布推出業界最小、最高精度的鋰電池電量監測計集成電路，可延長如穿戴式健康監控設備等可攜式醫療設備、庫存掃描和可攜式緊急照明等工業設備，以及其它消費性電子產品的電池使用壽命。　　德州儀器表示，採用9焊球晶片級封裝（WCSP）的bq27421系統側電量監測計，使用通過TI驗證、常用於平板計算機和智能型手機的進階電池技術，準確顯示剩餘電池容量、充電狀態及電池電壓，將可攜式設備的電池使用壽命延長50%以上。
  • 電池電壓和電量百分比的那些事
    電池通常是如下圖的樣子航模鋰電池僅有電芯、動力線和平衡頭，沒有任何控制和保護電路，自然不會告訴你電量百分比這東西。飛手通常有四種方法來判斷電量1、在平衡頭上加裝一種俗稱「BB叫」的電壓計，當電壓降低到報警閾值時即發出響亮的蜂鳴音，提示飛手儘快降落，這通常用在視距內飛行。
  • Maxim面向寬範圍應用推出最新電量計,採用ModelGauge m5 EZ算法,可...
    Maxim 宣布推出MAX17260和MAX17261 ModelGaugeTM m5 EZ電量計，幫助設計者最大程度提高運行時間、增強用戶體驗。該方案無需電池特徵分析，是多數鋰離子電池供電應用的理想選擇，提供極高精度、小尺寸以及簡捷設計。