引言

 

我們很多人都會(huì )用到電池供電設備，這類(lèi)設備會(huì )顯示當前還有多少電量或運行時(shí)間，特別是因為，我們被家里的眾多小器具所包圍。從電動(dòng)刮胡刀到平板電腦，我們依靠各種各樣的電池電量指示器，幫助確定是否以及怎樣繼續使用這些設備。隨著(zhù)時(shí)間流逝，我們對每種設備的準確度水平也有點(diǎn)熟悉了，而且知道對設備報告的數字信賴(lài)到什么程度，例如剩余 10% 電量。在較大功率的多節電池應用中，如果用戶(hù)發(fā)現沒(méi)有充足的電量，情形可能更加緊急，例如使用電動(dòng)自行車(chē)、電池備份系統、電動(dòng)工具或醫療設備等情況。備用電池組也許并不總是現成可用，或者設備需要在特定的時(shí)長(cháng)內連續運行，因此我們會(huì )重視準確的電池電量測量，或者重視評估在某一時(shí)刻電池或電池組還有多少電量。

 

除了充電、保護和電池電量平衡電路，電池電量測量一般也是智能化多節電池系統中會(huì )有的多種功能之一。不管提供什么功能，電池系統都面對一套獨特的設計挑戰，因為電池的電氣特性始終處于變化之中。例如，電池的最大容量 (也稱(chēng)為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率始終隨時(shí)間流逝而降低，同時(shí)充電和放電速率隨溫度改變而變化。設計良好的電池系統盡可能多地連續應對這類(lèi)參數漂移，以向最終用戶(hù)提供準確度一致的電池性能標準，例如充電時(shí)間、估計電量或預期電池壽命 (或剩余充電次數)。

 

簡(jiǎn)言之，準確的電池電量測量需要準確的電池電量計 IC 和一個(gè)相關(guān)和針對電池的模型，以最終為系統提供人們最渴望的電池電量測量參數  ─  充電狀態(tài) (SOC)，或者以最大容量的百分數表示的當前電池電量。盡管市場(chǎng)上有集成了電池模型和算法以直接估計 SOC 的電池電量計，但是經(jīng)過(guò)抽絲剝繭，我們發(fā)現，這類(lèi)設備的 SOC 估計方法往往過(guò)于簡(jiǎn)化，代價(jià)是極大地損害了準確度。此外，這類(lèi)設備通常僅適用于特定的電池化學(xué)組成，需要額外的外部組件以連接高電壓?，F在來(lái)看一下圖 1 所示的凌力爾特 LTC2944，這是一款簡(jiǎn)便的 60V 電池電量計，專(zhuān)門(mén)為準確測量單節或多節電池的電量提供了最基本的功能。

依靠庫倫計數

 

目前的研究顯示，精確的庫倫計數以及精確的電壓、電流和溫度是準確估計 SOC 的前提條件，迄今為止在這樣的前提條件下，所產(chǎn)生的最低誤差為 5%。這些參數使我們能夠準確地確定電池位于充電或放電曲線(xiàn)的哪一點(diǎn)上，這時(shí)庫倫計數不僅使電壓讀數更可靠，而且有助于區分曲線(xiàn)的任何平坦區域。圖 2 顯示了不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線(xiàn)。庫倫計數有助于避開(kāi)以下情形：設備長(cháng)時(shí)間誤導性地報告 75% SOC，然后突然降至 15% SOC。這種情形往往發(fā)生在僅通過(guò)測量電壓來(lái)估算 SOC 的設備中。為了對庫倫計數，用戶(hù)要將庫倫計數器初始化至一個(gè)已知的、電池滿(mǎn)充電時(shí)的電池容量，然后當放電時(shí)倒計數，或充電時(shí)正計數 (以解釋部分充電)。這種方法的優(yōu)勢是，電池化學(xué)組成不必是已知的。因為 LTC2944 集成了一個(gè)庫倫計數器，所以這款器件可以非常方便地復制和粘貼到多種設計中，而不受電池化學(xué)組成的影響。

 

圖 2：不同電池化學(xué)組成的典型放電曲線(xiàn)

 

我們來(lái)看一下圖 3 中 LTC2944 怎樣對庫倫計數。請記住，電量是電流對時(shí)間的積分。LTC2944 通過(guò)監視檢測電阻器兩端呈現的電壓，以高達 99% 的準確度測量電量，檢測電壓范圍為 ±50mV，這里差分電壓加到一個(gè)自動(dòng)調零的差分模擬積分器上以計算電量。當積分器輸出斜坡變化到高基準電平和低基準電平 (REFHI 和 REFLO) 時(shí)，開(kāi)關(guān)切換以改變斜坡方向。然后控制電路觀(guān)察開(kāi)關(guān)狀態(tài)和斜坡方向以確定極性。接下來(lái)，可編程預分比例器允許用戶(hù)按照 1 至 4096 的因子增加積分時(shí)間。隨著(zhù)預分比例器每次下溢或上溢，累積電量寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個(gè)數。

 

圖 3：LTC2944 以高達 99% 的準確度測量電量

 

值得一提的是，LTC2944 的庫倫計數器中使用的模擬積分器引入的差分偏移電壓最小，因此最大限度減小了對總體電量誤差的影響。很多庫倫計數電池電量計對檢測電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數轉換，并累積轉換結果以計算電量。在這種方法中，差分偏移電壓可能是主要的誤差源，尤其是在獲取小信號讀數時(shí)。例如，考慮一個(gè)電池電量計，該電量計采用基于 ADC 的庫倫計數器，最大規定差分電壓偏移為 20µV，當以數字方式對 1mV 輸入信號進(jìn)行積分時(shí)，偏移導致的電量誤差會(huì )是 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器時(shí)，偏移導致的電量誤差僅為 0.04%，為前者的 1/50！

 

回到基本要素 - 電壓、電流和溫度

 

如果庫倫計數負責增強電壓讀數的可靠性和區分充電或放電曲線(xiàn)的平坦區域，那么電流和溫度就是負責獲取最相關(guān)的曲線(xiàn)以開(kāi)始測量的參數。挑戰是，電池的端電壓 (連接到負載時(shí)的電壓) 受到電池電流和溫度的顯著(zhù)影響。因此，電壓讀數必須用校正項進(jìn)行補償，這些校正項與電池電流和開(kāi)路電壓 (與負載斷接時(shí)的電壓) 隨溫度的變化是成比例的。因為僅為了測量開(kāi)路電壓而在運行時(shí)斷開(kāi)電池和負載的連接是不切實(shí)際的，所以好的做法是，至少逐個(gè)電流和溫度曲線(xiàn)調節端電壓讀數。

 

既然高 SOC 準確度是終極設計目標，所以 LTC2944 采用了一個(gè) 14 位無(wú)延遲增量累加 (No Latency ΔΣ™) ADC，分別以高達 1.3% 和 ±3°C 的保證準確度測量電壓、電流和溫度。實(shí)際上，LTC2944 的典型性能好得多。圖 4 中的曲線(xiàn)顯示，LTC2944 的某些有價(jià)值的準確度數字是怎樣隨溫度和電壓而變化的。圖 4a 顯示，測量電壓時(shí)，隨檢測電壓變化，ADC 總的未調整誤差一般在 ±0.5% 以?xún)?，而且相當恒定。?lèi)似地，圖 4b 顯示，測量電流時(shí)，隨溫度變化，ADC 增益誤差一般在 ±0.5% 以?xún)?。最后，圖 4c 顯示，就任何給定檢測電壓而言，溫度誤差在溫度變化時(shí)僅變化約 ±1°C。所有這些準確度數字加起來(lái)，可能很容易損害 SOC 準確度，這就是為什么在眾多性能規格中要注意特定電池電量計測量電壓、電流和溫度的準確程度，而這點(diǎn)是很重要。

 

 

圖 4a：測量電壓時(shí) ADC 的增益誤差 

 

圖 4b：測量電流時(shí) ADC 的增益誤差 

 

圖 4c：溫度誤差隨溫度的變化

 

測量電壓、電流和溫度時(shí)，LTC2944 提供 4 種 ADC 運行模式。在自動(dòng)模式，該器件每隔幾毫秒連續執行 ADC 轉換，在掃描模式，該器件每 10 秒轉換一次，然后進(jìn)入休眠模式。在手動(dòng)模式，該器件按照命令進(jìn)行單次轉換，然后進(jìn)入休眠模式。無(wú)論何時(shí)，只要該器件進(jìn)入休眠模式，靜態(tài)電流就被最大限度降至 80µA。LTC2944 的整個(gè)模擬部分還可以完全關(guān)斷，以進(jìn)一步將靜態(tài)電流降至 15µA，因為用戶(hù)最不想要的一件事，就是電池電量計令人啼笑皆非地消耗大量電池功率。

 

便利的接口

 

用戶(hù)可以通過(guò)數字 I2C 接口，從 LTC2944 讀出電池電量、電壓、電流和溫度。用戶(hù)還可以通過(guò) I2C，配置幾個(gè) 16 位寄存器，這樣就可以讀出狀態(tài)、控制接通/斷開(kāi)并針對每個(gè)參數設定可報警的高低門(mén)限。有了報警系統，就無(wú)需軟件連續輪詢(xún)，因此 I2C 總線(xiàn)和主機有時(shí)間去執行其他任務(wù)。此外，ALCC 引腳既用作 SMBus 警報輸出端，又用作可連至電池充電電路充電完成輸出端的充電完成輸入端。有了所有這些數字功能，有人可能仍然會(huì )問(wèn)：“為什么 LTC2944 中沒(méi)有置入電池電量曲線(xiàn)或容量 / SOC 估計算法?” 答案很簡(jiǎn)單  ─  這完全歸結為 (也許不出所料) 準確度問(wèn)題。

 

盡管內置電池電量曲線(xiàn)和算法的電池電量計可以簡(jiǎn)化設計，但是作為真實(shí)世界電池行為的模型，這些曲線(xiàn)和算法常常次數不足或缺乏相關(guān)性，在測量過(guò)程中草率地犧牲了 SOC 準確度。例如：用戶(hù)可能被迫使用由未規定的來(lái)源或在未知溫度范圍內產(chǎn)生的通用充電和放電曲線(xiàn)；曲線(xiàn)和算法也許不支持用戶(hù)使用的電池化學(xué)組成，這對 SOC 準確度造成了又一個(gè)打擊。重點(diǎn)是，準確的電池建模一般會(huì )考慮很多變量，而且足夠復雜，這樣對用戶(hù)才是有意義的，用戶(hù)可以用軟件對自己的電池建模，以獲得最高的 SOC 準確度，而不是依靠不準確的通用內置模型。這類(lèi)內置模型還使電池電量計不夠靈活，難以在不同設計中重用。換個(gè)說(shuō)法，更改軟件比更改硬件容易得多，與更換也需要配置的電池電量計相比，更改特定于應用的代碼容易得多。

 

如果通過(guò)非常方便的 I2C 接口提供所有這些必要的電池測量參數和無(wú)與倫比的準確度還不夠的話(huà)，那么高壓功能就是使 LTC2944 真正不同于今天市場(chǎng)上其他電池電量計之處了。LTC2944 可直接從低至 3.6V 的電池到高達 60V 的滿(mǎn)充電電池組供電，從而滿(mǎn)足了從低功率便攜式電子產(chǎn)品到大功率電動(dòng)型汽車(chē)的任何應用的需求。無(wú)需在電源或測量引腳上使用額外的電平移位電路而使設計復雜化，電池 (或電池組) 與 LTC2944 之間可以直接連接，這極大地簡(jiǎn)化了硬件設計。最大限度減少外部組件數量也降低了總體功耗，并提高了準確度，因為不存在電阻分壓器等組件。

 

結論

電池電量測量本身是一門(mén)藝術(shù)，因為有很多相互依賴(lài)的、影響 SOC 的參數。全球的專(zhuān)家們都認為，準確的庫倫計數與電壓、電流和溫度讀數相結合，為估計 SOC 提供了最準確的方法。LTC2944 電池電量計提供所有這些基本測量，并有意不包括內部電池模型，從而允許用戶(hù)在特定于應用的軟件中采用對自己有意義的電量曲線(xiàn)和算法。此外，通過(guò) I2C 非常容易訪(fǎng)問(wèn)測量及配置寄存器，同時(shí)高達 60V 的多節電池可以直接與 LTC2944 連接。對任何數量、任何化學(xué)組成的電池進(jìn)行電量測量從來(lái)沒(méi)有這么容易，或者更重要的是，從來(lái)沒(méi)有這么準確。