電池電量計的原理與計算(圖)

2020-11-26 電子產品世界

充電電池簡介
目前大量應用的充電電池包括鉛酸蓄電池、鎳鎘/鎳氫電池、鋰離子/鋰聚合物電池。這幾種電池的特性如表1所示。


鉛酸蓄電池容量大，內阻低(一般400Ah的2V蓄電池內阻大約為0.5mΩ)，可進行大電流放電，但是笨重且體積龐大、不便於攜帶，常用在汽車和工業場合。其電極材料含鉛，可對環境造成極大汙染。鉛酸蓄電池對充電控制的要求不高，可以進行浮充。


鎳鎘電池容量較大，內阻低、放電電壓平穩，適合作為直流電源。與其他種類的電池相比，鎳鎘電池耐過充電和過放電，操作簡單方便，但是具有記憶效應，應儘量在完全放電之後進行充電。電極材料含有劇毒重金屬鎘，隨著環保要求的提高，其市場份額越來越小。


鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎上發展而來的，採用金屬化氫替代有毒的鎘，在大部分場合可以替代鎳鎘電池。其容量約為鎳鎘電池的1.5～2倍，且沒有記憶效應。相對於鎳氫電池，它對充電控制的要求較高，目前大量使用在一些便攜電子產品中。


鋰離子電池是目前最常見的二次鋰電池，擁有高能量密度，與高容量鎳鎘/鎳氫電池相比，其能量密度為前者的 1.5～2倍。其平均使用電壓為3.6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍。它的內阻較大，不能進行大電流充放電，並且需要精確的充放電控制，以防止電池損壞並達到最佳使用性能。鋰離子電池廣泛使用在各種便攜電子產品中，包括手機、筆記本電腦、mp3等。


鋰聚合物電池是一種新型的二次鋰電池，具有更大的容量；內阻較低，允許10C充放電電流。它和鋰離子電池一樣需要精確的充放電控制。目前，鋰聚合物電池主要用於一些需要大電流充放電的應用中，如動力/模型汽車等。

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。這是因為電池端電壓和剩餘容量之間有一個確定的關係，測量電池端電壓即可估算其剩餘容量。這種方法的局限是：1）對於不同廠商生產的電池，其開路電壓與容量之間的關係各不相同。2）只有通過測量電池空載時的開路電壓才能獲得相對準確的結果，但是大多數應用都需要在運行中了解電池的剩餘容量，此時負載電流在內阻上產生的壓降將會影響開路電壓測量精度。而電池內阻的離散性很大，且隨著電池老化這種離散性將變得更大，因此要補償該壓降帶來的誤差將十分困難。綜上所述，通過開路電壓來實時估算電池剩餘容量的方法在實際應用中無法達到足夠的精度，只能提供一個大致的參考值。


另一種大量應用的方法是通過測量流入/流出電池的淨電荷來估算電池剩餘容量。這種方法對流入/流出電池的總電流進行積分，得到的淨電荷數即為剩餘容量。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。其中，RSNS為mΩ級檢流電阻，RL為負載電阻。電池通過開關、RSNS對RL放電時的電流IO在RSNS兩端產生的壓降為VS(t)=IO(t)RSNS。電量計持續檢測RSNS兩端的壓差VS，並將其通過ADC轉換為N位的數字量Current(簡稱CR)，之後以時基確定的速率進行累加，M位累加結果Accumulated_Current(簡稱ACR)的單位為Vh(伏時)。對量化後的VS進行累加相當於對其進行積分，結果為。


電池電量 。因此，將ACR值除以檢流電阻RSNS的阻值即得到以Ah(安時)為單位的電池容量。ADC轉換結果和累加後的結果都帶有符號位，按照圖1中的連接方式，充電時CR為正，ACR遞增；放電時CR為負，ACR遞減。外部微控制器可以讀取CR和ACR值，經過換算得到真實的充放電電流和電量值。


實際的電量計還包括一些控制和接口邏輯，通常還能檢測電池電壓和溫度等參數。一些智能電量計可以自動完成電池自放電的修正，還可保存電池特性曲線，允許用戶定製電池電量計算法。


　　
電池電量計的計算
通常，在電量計數據資料中CR的單位為mV，ACR的單位為mVh。


根據前文的說明，CR值為取樣電阻兩端的電壓值，典型的12bit CR如表2所示。


其中，S為符號位，20為LSB。如果CR的滿偏值為F，則其LSB的計算公式如下：
（1）


若CR的讀數為M，取樣電阻為值RSNS，則實際的電流值為：
（2）


電流方向由S位確定。若滿偏值F為64mV，則LSB為15.625μV；RSNS為10mΩ時最大電流為6.4A。若M為768，則實際電流為 。
ACR為取樣電阻兩端電壓的累積值，典型的16bit ACR如表3所示。


其中，S為符號位，20為LSB。如果ACR的滿偏值為F，則LSB的計算公式如下：
（3）


淨電荷量由S位確定。若滿偏值F為204.84mVh，則LSB為6.25μVh；RSNS為10mΩ時最大電量為20.48Ah。若M為7680，則實際電量為 。

結語
本文在介紹了電池電量計的原理之後，給出了一些簡單的計算公式。設計者可以方便的從電量計讀數中計算出真實電量，從而加快設計過程。

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