通過電量計IC延長電池電力運行時間

通過電量計IC延長電池電力運行時間

電子設計 發表於 2019-03-29 08:24:00

鑑於電池壽命在用戶滿意度和可攜式產品的市場成功中所發揮的關鍵作用，各種各樣的供應商提供燃料或氣體計IC都不足為奇。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。鋰離子電池的充電狀態（SOC）受各種因素驅動，包括溫度和放電率。電量計IC用於估算SOC的算法必須補償各種問題，如自放電，電池單元的內部阻抗和電池老化。電量計IC必須將這些數據與電池的先前知識相結合，以準確估算SOC。

老化問題是這項任務固有挑戰的一個很好的例子。雖然細胞的容量通常不同，但隨著細胞老化，個體細胞的容量也隨著時間的推移而變化，並且失去了儲存電荷的能力（圖1）。設計人員在估算SOC時面臨的一個更困難的挑戰是如何補償能夠在比新電池更短的時間內提供電壓的舊電池。

圖1：電量計IC必須補償電池壽命對容量的影響。上圖說明了隨著電池的年齡或周期數的增加，其隨時間保持固定電壓的能力下降。 （來源：德州儀器公司）

快速發展

通常，電量計IC位於電池組上，使用低值分流電阻跟蹤電流進出電池。早期的電池監控電路只是測量電池的電壓。然而，難以獲得高度精確的電池容量估計，因為當負載電流水平改變時，對於給定的SOC，電池的瞬時電壓可以向上或向下移動。

今天大多數電量計IC都採用庫侖計算方法來計算電池容量。這些器件使用帶有測量電路和定時器/計數器的小型檢測電阻器隨時間跟蹤毫安電池的進出電池。為了在典型條件下產生電池容量模型，它們從已知的起始點（例如100％容量）計算電池輸入和輸出的mAH。然後，當電池充電和放電時，電路可以跟蹤SOC。

然而，庫侖計數方法本身存在一些缺點。這種類型的儀表必須考慮所有運行的充電和放電活動，以準確測量SOC。然而，當電池通常由於自放電而失去電荷時，這種方法通常不能解決長期存儲期間的損失。它也無法補償電流檢測電路可能無法測量的廣泛變化的負載電流，特別是在極低或高端。

一些電量計供應商將庫侖計與片上檢測電阻集成在一起，該電阻經溫度補償以提高精度。其他人使用電池阻抗測量來估計鋰離子電池的SOC。這種方法使用實時電阻曲線，通過調整所有使用條件下的IR壓降來預測電池的放電曲線。通過在系統啟動時將庫侖計數與系統關閉時的開路電壓測量相結合，這些儀表可以提供高精度。

多種選擇

今天供應商提供從簡單的電量監測計IC到完全集成的電池管理和保護電路，提供廣泛的解決方案。對於平板電腦，可攜式和可穿戴健康設備以及可攜式音頻設備等應用，德州儀器（TI）的bq28z610為1系列和2系列鋰離子電池組提供高度集成的電量監測計（圖2）。該設備通過使用主模式I 2 C充電電流和電壓信息廣播實現自動電池充電控制，從而最大限度地降低了系統控制器上的軟體開銷。該集成儀表將低功耗TI bqBMP處理器與高精度模擬前端相結合，具有兩個獨立的ADC，集成快閃記憶體以及各種外設和通信埠。它還增加了一個高端保護N-CH FET驅動器，以支持故障條件下的串行總線通信，以及一個SHA-1認證響應器，用於電池組安全性。

圖2：德州儀器的bq28z610電量監測計提供高水平的集成。高性能嵌入式模擬外設支持低至1mΩ的檢測電阻，並可同時進行電流/電壓數據轉換，以進行功率計算。 （來源：德州儀器）

為了在不進行建模或學習的情況下準確計算剩餘電池容量，bq28z610採用德州儀器專有的阻抗跟蹤算法。雖然許多電量計依賴於模型電池性能或執行重新校準序列來更新片上模型參數，但阻抗跟蹤方法使用電池阻抗測量來估計鋰離子電池的SOC。德州儀器聲稱這種方法在電池壽命期間的誤差小於1％。

在選擇電量計IC時，功耗和佔位面積通常是關鍵考慮因素。低靜態電流特別重要，因為當關閉電池負載以定期測量開路電壓時，必須給電量計通電。 Maxim的MAX17048和MAX17049電量計IC工作在23μA，在休眠模式下運行低至4μA（圖3）。這兩款器件體積小巧，採用0.9 x 1.7 mm，8凸塊晶圓級封裝（WLP）或2 x 2 mm，8引腳TDFN封裝。

兩款器件均採用Maxim的ModelGauge Li +電池建模算法。與需要多個外部元件（包括檢測電阻）的傳統庫侖計數儀不同，ModelGauge通過提供精確的充電狀態來減少佔位面積，從而補償溫度和負載，同時消除電阻和電池學習周期。使用系統微控制器實現溫度補償。 MAX17048採用單節鋰電池供電，而MAX 17049則支持兩節串聯鋰電池。

圖3：憑藉其ModelGauge電池建模算法，Maxim Integrated的MAX17048/MAX17049電量計IC通過消除傳統電量計設計中使用的電流檢測電阻和其他外部元件，減少了佔板面積。 （來源：Maxim Integrated）

電流和電壓保護是任何電量計解決方案的關鍵考慮因素。對於單節鋰離子電池組，德州儀器公司的bq28550-R1將電池電量監測計與一整套電流和電壓保護功能結合在一起（圖4）。該器件需要主機微控制器支持實現。 bq28550-R1通過串行接口為系統處理器提供所有關鍵電池信息，包括充電狀態，空載運行時間，充電時間，電池電壓和電池組溫度。同時，它還提供短路，過流充電和放電，過壓充電和欠壓保護。

圖4：專為電池組設計集成，bq28550-R1單節鋰離子電池電量監測計增加了短路，過流，過壓和欠壓保護。 （來源：德州儀器）

為了準確估算燃料容量，該設備使用補償放電終止電壓（CEDV）方法，其中算法在數學上模擬電池電壓作為電池SOC，溫度和電流的函數。它還將電池阻抗（Z）建模為SOC和溫度的函數。

結論

隨著電池容量計的使用範圍的擴大，設計師也依賴於他們提供的數據的準確性。今天的可攜式系統必須比以往任何時候都更能響應環境條件。它們越來越多地用於根據可用的電池容量做出運營決策。通過精確測量關鍵參數，準確估算SOC並將信息提供給主處理器，電量計IC可以幫助系統更有效地從電池中提取電力並最大限度地延長運行時間。

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