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使用电量计IC能监测锂离子电池的充电状态
更新时间:2021-06-10
 

  对于依靠锂离子电池供电的电路,仍需要专用技术来确定电池中的剩余电量,而这种技术将使能量收集应用的设计复杂化。 工程师们能够利用这些应用中的 MCU 和 ADC 实现这些技术,但会以增加复杂性为代价。 不过,利用来自 Linear Technology、Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等制造商的专用“电量计”IC,工程师们能很容易地在现有设计中增加这一功能。

  确定锂离子电池的充电状态 (SOC) 是一项基本要求,但却充满挑战,因为不仅不同电池间的容量差异巨大,而且同一电池内的容量也是如此。 锂离子电池一旦发生老化就是去了电荷存储能力。 因此,旧电池即使充满电,其提供有用电压的时间也会少于新电池。 无论使用何种锂离子电池,SOC 都会因为温度和放电速率而产生极大差异,所以任何一种特定的电池都会对应一组独特的曲线:如 Panasonic VL 系列等锂离子存储设备的输出电压由多种因素决定,包括温度、放电速率和电池老化程度(感谢 Panasonic 提供数据)

  锂离子技术输出电压特征曲线的性质会使 SOC 的确定过程变得复杂。 采用其他技术时,开路电压 (OCV) 用来可靠指示充电状态。 不过,采用如 Panasonic VI 系列等锂离子电池时,这些电池的电压输出曲线相对平坦,使得这种方法更加难以实现(图 1)。 相反,锂离子电池的监视方法通常依靠库伦计数或者阻抗测量完成,前者会随时间跟踪放电电流,而后者则利用了 SOC 和电池内部阻抗之间的关系。

  这两种方法均需要连续精确测量电池的输出电流和电压,然后对比将 SOC 和电压相关联的模型认真分析这些值。 对于每一种能量收集应用,工程师们通常会充分利用已有 MCU 和 ADC 器件实现能量收集应用的核心功能。 如 Microchip Technology 的 MCP3421 等 ADC 器件可用来捕获电流和电压输出的测量值,然后由 MCU 分析这些值(图 2)。 此时,MCU 执行 SOC 算法或者将这些测量值与 SOC 查询表中的理想值进行比较,或者组合使用算法分析和数据查询功能。

  电量计 IC 是一种集成解决方案,从而可用单一器件替换 ADC 和各种分立元件,该器件能够执行复杂的 SOC 估算功能并将结果传输至 MCU(图 3)。 大多数电量计 IC 采用库伦计数法,即通过测量电流检测电阻器的电压来跟踪电流放电情况,用以估算锂离子电池 SOC。

  图 3:在典型应用中,专用电量计 IC 通过测量检测电阻器上的电压来监视电池电流,并将 SOC 计算结果和其他充电信息发送至 MCU(感谢 Texas Instruments 提供数据)。

  如 Linear Technology LTC2941-1 等先进的电量计 IC 均是将专用库伦计数器与片载检测电阻器相结合,其中片载电阻器采用温度补偿型,以提高准确性。 此处,库伦计数器监视内部检测电阻器上生成的电压,并汇集测量数据,以估算充电状态(图 4)。 LTC2942-1 除继承了 LTC2941-1 的功能外,还能测量温度和电压。

  电量计 IC 通常将 SOC 作为单一数值传输。 另外,Linear 的 LTC4150 电量计 IC 则采用一系列输出脉冲形式发送其结果,而这些脉冲对应于流入或流出电池的定量电荷。

  虽然库伦计数法是电量计 IC 中的常用方法,但许多此类器件将库伦计数法与定期性电压测量相结合,通常用于重新校准结果,对温度或电池老化效应进行补偿。 Maxim Integrated DS2786B 能在电池充放电时统计流入和流出电池的电荷。 当应用进入非工作状态时,DS2786B 会在确定电池电压所需的足够延时后测量电池 OCV。 根据 OCV 测量结果,该器件会利用片载 OCV 电池模型调节已保存的库仑计数值。 这种模型保存在 DS2786B 的 EEPROM 中,该模型使 SOC 与电压曲线上的多个特定点相关联(图 5)。

  DS2786B 在上电时测量初始电压,并利用 OCV 电池模型数据确定其进行电荷测量的起始点。 下一次 OCV 测量会允许器件纠正任何误差。 该器件会根据电池老化情况调节其结果,补偿容量变化。

  TMicroelectronics STC3115 采用其专有的 OptimGauge 自适应算法跟踪 SOC 并更新片载电池模型,进而对温度、老化以及与保存在其片载属性中的不同类型电池的特征差异进行补偿。 片载 -△ ADC 测量进行 SOC 跟踪和模型升级所需的电池电压、电流和温度数值。 在高速充电或者放电期间,该器件使用库伦计数方法估算 SOC。

  Texas Instruments bqJUNIOR 系列具有多种低功耗工作模式,专为低功耗工作而设计,其正常工作模式下电流消耗小于 90 A,睡眠模式下小于 2.5 A,深度睡眠模式下则小于 20 nA。 如 bq27210 等 bqJUNIOR 器件可提供针对电池老化、温度、自放电和放电速率的容量补偿信息。 在每个放电周期内,这些器件自动重新校准保存在片载寄存器内的各种参数值,包括电流、容量、耗尽时间、SOC、电池温度、电池电压和状态等。

  Texas Instruments 也提供采用其专有的阻抗跟踪方法的电量计 IC,这种方法利用电池阻抗测量值来估算锂离子电池的 SOC。 阻抗跟踪不需要为电池性能建模,也不需要为更新片载模型参数而重新校准序列。 如 TI bq27421-G1 和 bq27425-G2 等阻抗跟踪 IC 能够计算电池剩余容量,而无需建模或者自适应,并能在电池的整个使用寿命期限内以及不同的工作条件下实现高精度。

  能否准确估算锂离子电池的 SOC 取决于对电池电压和电流精确测量。 对于某些能量收集应用,工程师们可利用现成的 MCU 和 ADC 完成所需的测量和分析。 单芯片电量计 IC 集成了复杂的算法,为 SOC 确定提供了简单的解决方案。 工程师们利用现有的电量计 IC,就能把提供准确的锂离子电池充电和容量信息所需的功能轻而易举地添加到能量收集应用中。