如何精确预测电池电量?

2020年3月10日08:45:00 评论

无论是使用智能手机、健身追踪器、运动相机、室外导航设备、相机还是手持式收发器,都会遇到意想不到的低电量警告。大多数情况下,这类警告信息只会带来不便,但对于安全和应急设备来说,可能会造成严重的后果。

通过电量计确定电池充电状态

由于电池材料、化学成分和环境温度都会发生变化,因此只通过电量计检测电池电压所得到的结果并不可靠。此外,电池阻抗也会随着充电状态和电池老化程度而变化,实现精确测量更是难上加难。

每种电池的化学特性都会产生一种独特的放电特征,有些比较适合表示基于电压的充电状态,而有些电压和负载电流放电曲线几乎是一条直线,使得电量计只能显示100%或一条平坦的曲线。所以需要引入另一种能够测量电池充放电电流的方法,即所谓的库仑计法来确定充电状态。这种方法考虑到了电池老化和自放电特性。

充电状态的重要性

随着消费者对技术的日益了解,能否精确地指示电池充电状态成为了衡量手持消费电子设备的关键指标。为了准确地预测电池充电状态,许多制造商会根据特定的应用和用例来定制电池,导致产品延迟上市,有些情况下还需向第三方供应商发货。然而,国家对于锂离子等电池的运输监管法规越来越严格,对运输方式和剩余电量均有明确的规定。

除了电池运输法规外,为了便于日常使用和储存,还需要在设计中加入其他监测电子设备,以使相对易挥发的电池(许多电池能够提供数百安培的电流)能在安全的参数范围内运行。售后电池供应商为了节省成本往往会忽略电池安全问题,因此需要设备制造商在其电池和终端产品设计中增加电池加密认证技术,以免出现安全问题。

测量充电状态所面临的挑战

如上所述,能够准确测量电池充电状态并将其显示在电量计上,不仅需要考虑运行期间的功耗,还需考虑待机期间的功耗。在运输和仓储过程中,还需要考虑设备放在橱柜中或“箱子里”时所产生的静态电流。电量计本身也会消耗能量,因此,在计算电池可携带多少电量,以及消费者收到电池后是否有足够的电量来工作时,需要考虑到这一点。

作为消费者,我们喜欢产品在收到后无需充电即能工作。而为了保持电量计指示准确,相关电路必须始终处于接通状态。在消费者使用产品之前关闭电量计,会造成充电状态指示不够准确。请注意,为确保运输和仓储期间的安全,如果温度过高或部件故障导致出现短路情况,请谨慎启用蓄电池保护功能(温度、电流和电压监测)。

精确的充电状态测量解决方案

Maxim Integrated MAX1730x低功耗系列就是一个很好的示例,它在3mm×3mm的封装中集成了电量计、保护和认证功能。MAX17301用于测量锂离子电池或锂聚合物电池的充电状态,当激活输出FET时,具有24µA的超低静态电流,休眠期间更是低至18µA;禁用FET时,电流可降至0.1µA。此IC提供了一系列全面的电池健康状态和安全保护功能,包括过压(取决于温度)、过充电流、电池欠/过温、欠压和过放电/短路。MAX1730x还具有用于与主微控制器通信的单线/I2C接口,以便读取MAX1730x的数据和控制寄存器(图1)。

如何精确预测电池电量?
图1:Maxim Integrated MAX1730x方框图

电池健康状态和保护要求由电压、电流和温度决定。Maxim的ModelGauge m5算法可用于计算电池的充电状态,既具有库仑计出色的短期高精度、高线性度特性,又具有电池开路电压测量出色的长期稳定性。此温度补偿算法的附加输入可产生精确的充电状态读数(图2)。该算法计算的是电池的开路电压,包括带载情况。

如何精确预测电池电量?
图2:使用ModelGauge m5算法计算Maxim MAX1730x的校正充电状态

MAX1730x通过电池老化特性和放电率来补偿电量计读数。它提供了各种工作条件下的充电状态百分比或毫安时 (mAh) 读数。该算法还可提供满充时间和老化预测功能,以预测电池何时开始因老化和使用而导致容量下降。数据记录功能使用非易失性存储器记录电池寿命周期内的多达13个参数,包括自首次通电以来的时间。

如何精确预测电池电量?
图3:详细说明Maxim Integrated ModelGauge m5算法的原理图表

结论

能够在电量计中准确显示电池的充电状态,而无需对蓄电池进行耗时的特性描述,是衡量一个产品是否成功的关键。Maxim采用ModelGauge m5算法的电量计IC MAX1730x不仅实现了这一功能,而且通过结合保护和认证功能,节省了宝贵的电路板空间和材料清单 (BOM)。

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