引言

 

傳統電量計面臨的最大挑戰之一是，要想獲得最佳的電池SOC精度就要求對特定應用條件下的每個(gè)電池進(jìn)行全面的特征建模和分析(圖4)。這就使其難以滿(mǎn)足快速TTM目標，因為客戶(hù)必須要么自己進(jìn)行復雜的特征分析，要么將電池發(fā)送給電量計廠(chǎng)商。最新版本的鋰離子電池運輸安全規范(例如UN 38.3)將物流工作變得非常麻煩。在收到電池之后，電量計廠(chǎng)商需要花費2至3周的時(shí)間進(jìn)行測試以及分析結果。

 

系統設計師還必須解決與鋰離子電池操作相關(guān)的安全風(fēng)險，處置不當就會(huì )造成災難性后果。符合IEC/UL 62368-1等安全標準越來(lái)越重要。電子設備的保護又為電池管理過(guò)程增加了額外的復雜性。

 

對于大批量應用，系統設計師還必須降低售后市場(chǎng)克隆電池的安全風(fēng)險，這會(huì )影響系統安全性。安全認證器可防止此類(lèi)克隆行為。

 

最后，最終用戶(hù)希望系統能夠在兩次充電之間運行較長(cháng)的時(shí)間(以及保證較長(cháng)的儲存期限)。這時(shí)候低靜態(tài)電流就非常重要，可最大程度減少電池電量的浪費。

 

本設計方案回顧了運動(dòng)攝像機(圖1)供電面臨的挑戰，并提出一種能夠克服此類(lèi)困難的創(chuàng )新、高度集成的電量計和保護IC方法。

 

圖1. 工作中的運動(dòng)攝像機。

 

SOC精度挑戰

 

電池SOC在0 (電池空電)到100% (電池滿(mǎn)電)之間變化，并決定設備的續航時(shí)間。電池模型較差帶來(lái)的嚴重后果之一就是SOC不準確，進(jìn)而造成估算的運行時(shí)間不準確。典型運動(dòng)攝像的用例模型包括70分鐘的活躍狀態(tài)(包括4k視頻錄像、WiFi或GPS等活動(dòng))和90天的不活躍狀態(tài)(例如假期過(guò)后束之高閣)。如果設備在活躍模式下的耗流為1300mA，在為期90天的不活躍模式下的耗流為0.1mA，那么將消耗總共1733mAh，正好是最新型運動(dòng)攝像機電池的大致容量。為避免設備意外或過(guò)早停止工作，就必須準確預測電池SOC。10%的SOC誤差就會(huì )造成173mAhr的偏差，相當于8分鐘的活躍時(shí)間或2個(gè)月的不活躍狀態(tài)。

 

The IQ 挑戰

 

雖然看起來(lái)有些應用好像不太在乎靜態(tài)電流，但是許多系統設計師非常注意將電池漏流保持最小，以確保設備在不活躍狀態(tài)或儲存期間不會(huì )耗盡電池電量。

 

非活躍運行時(shí)間周期挑戰

 

除SOC和運行時(shí)間精度外，運行時(shí)間周期也同樣重要。在非活躍模式下，相同電池可能維持長(cháng)達24.1個(gè)月。功耗為40µA的典型電量計將縮短大約6.9個(gè)月的電池非活躍狀態(tài)運行時(shí)間，這是不可忽略的時(shí)間量。

 

儲存期限挑戰

 

A 40µA 靜態(tài)電流時(shí)，12個(gè)月將耗費可觀(guān)的346mAh。另一方面，由于運輸安全規范的原因，攝像機電池在運輸時(shí)可能只有30%或520mAh的電量。在攝像機經(jīng)過(guò)運輸以及存放在倉庫或貨架上12個(gè)月之后，靜態(tài)電流將耗費剩余電量的66%。

 

面臨如此高的靜態(tài)電流，有兩個(gè)選擇。

 

一種選擇是儲存期間保持電量計“打開(kāi)”，從而保證SOC精度但損失電量。該項選擇會(huì )造成用戶(hù)體驗較差，因為客戶(hù)在使用設備之前必須對其進(jìn)行充電。

 

另一種選擇是關(guān)閉電量計。此時(shí)能夠節省電量，但開(kāi)機時(shí)的SOC不準確。電量計需要經(jīng)過(guò)幾小時(shí)的時(shí)間才能重新學(xué)習電池容量狀態(tài)。此時(shí)的風(fēng)險是用戶(hù)可能在某個(gè)任務(wù)中途遇到問(wèn)題。

 

安全挑戰

 

鋰離子/聚合物電池由于具有極高的能量密度、最小的記憶效應和較低自放電，在各種便攜式電子設備中非常普及。但是必須小心謹慎避免此類(lèi)電池過(guò)熱或過(guò)充，以防損壞電池。這有助于避免危險隱患或爆炸事故。用普通的欠壓(UV)保護來(lái)停止放電，這樣效果不佳，因為它可能被很短的放電脈沖觸發(fā)。而大多數分立式保護器不監測電池溫度。因此，我們需要更嚴謹的保護方法。

 

解決方案

 

以圖2所示的低IQ獨立式電池側電量計IC為例，器件帶有保護和安全認證，適用于單節鋰離子/聚合物電池。保護器控制外部高邊N-FET (圖2)。安全認證可防止電池組克隆。電量計采用Maxim的ModelGauge m5算法。IC監測電壓、電流、溫度和電量狀態(tài)，確保鋰離子/聚合物電池工作在安全條件，有效延長(cháng)電池壽命。電量計和保護控制的集成，可以最大程度減少BOM和PCB面積。

 

圖2. 電量計和保護IC。

 

非易失存儲器允許IC儲存電池的電量計和保護參數，也支持老化預測，以估算電池壽命。壽命歷史記錄功能提供全面的診斷，可以用于了解使用模式、失效分析以及返廠(chǎng)保修。

 

通過(guò) 1-Wire® (MAX17311) 或2線(xiàn) I2C (MAX17301) 接口訪(fǎng)問(wèn)數據和控制寄存器。IC采用無(wú)鉛、3mm x 3mm、14引腳TDFN封裝和1.7mm x 2.5mm、15焊球、0.5mm焊距WLP封裝。

 

SOC精度

 

ModelGauge m5算法既有庫侖計出色的短期高精度、高線(xiàn)性度特性，又具有電壓電量計出色的長(cháng)期穩定性。算法采用溫度補償，提供業(yè)界領(lǐng)先的電量計量精度。電量計IC在較寬的工作條件下自動(dòng)補償電池老化、溫度和放電率，并以毫安時(shí)(mAh)或百分比(%)提供精確的SOC。

 

ModelGauge算法利用電池特性和實(shí)時(shí)仿真估算電池的開(kāi)路電壓(OCV)，即使電池帶載時(shí)也無(wú)需檢測電阻的幫助。ModelGauge算法利用SOC和OCV之間的關(guān)系預測SOC (圖3)。

 

圖3. 基于電壓的電量計。

 

帶有ModelGauge m5的庫倫計

 

由于庫倫計ADC的失調誤差，電量計估算的SOC會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而偏移理想SOC值。但是，通過(guò)使用內部基于OCV (或僅基于電壓)的估算，使其與庫倫計并行工作，電量計IC可補償這些誤差，使最終的SOC結果回到正軌。該操作每秒執行三次，在電池帶載、充電甚至空載時(shí)，修正所占百分比非常小(幾乎不可見(jiàn))。這是相對于其他方案的改進(jìn)，其他方案需要等待，直到電池在空載狀態(tài)下完全空閑，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)后才能進(jìn)行任何修正。

 

ModelGauge每秒對庫侖計誤差進(jìn)行三次修正，每天超過(guò)200,000次，采用步長(cháng)大約0.00001% (圖4)。

 

圖4. 采用ModelGauge M5算法的高精度電量計。

 

不要求針對特定電池特征建模

 

ModelGauge m5 EZ無(wú)需對電池進(jìn)行特征分析。系統設計師可利用評估軟件逐步了解幾項應用的詳細信息，并在短短幾分鐘內生成模型，最終大大改進(jìn)TTM。Maxim已經(jīng)利用300多種不同電池以及3000次放電進(jìn)行了仿真，證明該方法在97%以上的測試用例下的誤差可低至3%。

 

長(cháng)儲存期限

 

A 7µA的 IQ (保護FET關(guān)斷) 有助于防止電池在較長(cháng)時(shí)間待機狀態(tài)下漏電，支持較長(cháng)的儲存期限和運行時(shí)間。靜態(tài)電流為7µA時(shí)，12個(gè)月僅消耗大約電池剩余電量的12%，而之前則消耗66%。

 

IC也可以置于運輸模式，IQ僅為 0.5µA , 儲存期限更長(cháng)?？衫枚喾N方法恢復常規操作狀態(tài)，包括按下按鈕將其打開(kāi)，或者連接充電器。在恢復常規操作狀態(tài)時(shí)，電量計可立即計算SOC，以及在接下來(lái)的1½循環(huán)內重新學(xué)習電池的滿(mǎn)電量狀態(tài)。

 

長(cháng)運行時(shí)間

 

IQ 為 18µA(FET導通) 時(shí)，電池的非活躍運行時(shí)間從6.9個(gè)月下降為只有3.7個(gè)月。

 

增強安全性

 

IC集成高度可編程保護器控制，防止鋰離子電池被異常電壓、電流、溫度條件所損壞，并確保在較寬范圍應用下安全地充電和放電。將保護和計量集成到同一片IC，支持實(shí)現更嚴謹的電池安全保護，同時(shí)防止保護器滋擾跳閘。尤其是能夠在極短的電池電壓暫降期間估算SOC，使IC能夠確定是否應該關(guān)斷或繼續操作。

 

許多電池制造商建議系統充電器隨著(zhù)電池老化而降低充電電壓。為實(shí)現這一目的，系統微控制器可讀取電量計IC的老化和循環(huán)次數寄存器。

 

由于系統微控制器用來(lái)控制充電器，所以檢測可能會(huì )造成充電器工作方式不安全的突然死機非常重要。電量計IC具有看門(mén)狗，能夠檢測微控制器的異常系統狀態(tài)，通過(guò)進(jìn)入保護模式防止失控的充電器損壞電池。

 

除主保護器外，如果電池容量較大，許多系統制造商采用輔助保護器作為冗余。但是此類(lèi)保護器通常僅適用于電壓和電流故障條件。電量計可根據附加的溫度和電壓嚴重異常條件觸發(fā)2級保護器，從而完善這一點(diǎn)。包括當檢測到主保護器FET已經(jīng)失效時(shí)。這基本上會(huì )造成電池因為安全原因而永久禁用。

 

所有這些增強功能使系統制造商能夠更容易地滿(mǎn)足最新的產(chǎn)品安全標準，例如IEC 62368-1/UL62368-1。

 

總結

 

我們回顧了電量計設計所面臨的挑戰，包括電池SOC精度、運行時(shí)間、儲存期限和安全性等方面，提出一種新型、高度集成的IC家族，以及解決這些挑戰的方法。通過(guò)部署ModelGauge m5 EZ算法，IC省去了電池特征分析過(guò)程，大大改善TTM。系統設計師可利用評估套件在短短幾分鐘內生成模型。該算法能夠高精度預測SOC以及增強安全性。最后，電量計IC的低靜態(tài)電流允許較長(cháng)的儲存期限和較長(cháng)的運行時(shí)間。電量計和保護控制的集成，進(jìn)一步提高了安全性，最大程度減少BOM和PCB面積。

 

術(shù)語(yǔ)

 

● OCV: 開(kāi)路電壓

● SOC: 電量狀態(tài)。在0 (電池空電)到100%/mAhr (電池滿(mǎn)電)之間變化。 

● Runtime: SOC允許的工作時(shí)間。

 

 

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