解决方案

首页解决方案1解决方案 / 锂电池的秘密丨揭秘库仑计电量计设计攻略...

锂电池的秘密丨揭秘库仑计电量计设计攻略...

日期:2016年4月18日 15:44

锂电池产品具有很高的能量密度,随着技术的发展,能量密度会进一步提升,应用前景将更加广阔。就目前状况而言,锂电池产品已经成为我们生活中不可缺少的一部分,从日常生活用的手机、平板电脑到工业应用的各种手持式便携仪表均采用锂电池作为电源。

锂电池储能随着设备的使用逐渐释放,需要监测电池状态,以便及时了解电池的剩余电量,在电池耗尽之前及时为电池充电,估算当前工作状态下电池还可以维持工作的时长(锂电池过充和过放会影响电池的寿命,严重情况下还可能导致电池爆炸,因此,通常会采用电池保护板,这里不讨论该部分)。电量计就是专门用于监视锂电池状态的器件。在讨论电量计之前,先要了解一下锂电池的特性。

锂电池的特性

锂电池存储的能量和能够释放出的能量与温度有关,下图为不同温度下锂电池的状态图:

14309626476857.jpg

图1.电池存储/释放能量和温度关系


从图中可以看出,在-20℃时,电池充满电的电量为大约1150mAh,大电流放电至电池电压为2.5V时,电池电量为大约1130mAh,释放出的电量 为1150-1130=20mAh,由此可见,电池在-20℃时几乎无法释放电。随着温度升高,电池能够释放出的能量越多,并且电池能够存储的能量也随着温度升高有所增加。

随着充放电周期的不断增加,锂电池能够存储的能量会逐渐减少,称之为电池老化。下图为电池容量与充放电周期的关系图:

14309626478935.jpg                 

                               2.电池充放电周期与容量关系图

从图中可以看出,随着充放电周期的增加,电池的容量逐渐减小,但是,在放电至规定电压时的剩余电量保持不变。

由于锂电池的这种非线性特性以及与温度、充放电次数的相关性,不能简单地根据电池电压来预报电池的电量。利用电量计器件可应对电池的非线性,对不同温度下以及老化程度不同的电池都能正确预报剩余电量。

电量计工作原理

目前电量计主要包括:基于库仑计计量的电量计和基于开路电压检测(OCV)的电量计。

OCV电量计工作原理

开路电压检测电量计利用电量计上电时测量电池的电压(通常情况下,电池应该静止足够长时间使电池电压恢复),通过存储在电池内部的电压和电量对应关系查找 表来估算电池的电量,该电量计和电池的相关性不大,因此可以用在主机侧,使用该电量计的系统可任意更换电池(更换电池的型号必须一致)。

库仑计电量计工作原理

库仑计电量计是按照电池电流对时间的积分计算电量,电量计类似与一个蓄水池,充电时,相当于对蓄水池注水,放电时相当于对蓄水池放水,蓄水池中剩余的水量就相当于电池中剩余的电量,因此,库仑计电量计和电池密切相关,通常,库仑计电量计放置在电池包内,和电池绑定在一起。

电量计利用外部检流电阻检测电池电流,通过内部ADC
将测量结果以电压形式保存在电流寄存器中,然后累计到电流累计寄存器(ACR)中,ACR中保存的结 果是以mVh为单位,因此除以检流电阻,就可以计算出电池的绝对剩余电量,真的这么简单!!其实不然,还有很多问题需要解决。

如何确保准确计量?

电量累计是电流对时间的积分,那么时间的精度和测量电流的精度就决定了电量累计的误差,时基误差在常温下小于1%,而且当测量电流为0时,累积电量也为0,因此,必须调整测量电流的精度才能确保电量计量精确,有哪些因素会影响电流的测量精度?外部电阻的精度,测量电流ADC的增益误差以及失调误差。器件 内部用于调整这些参数的寄存器分别是:

RSNSP (电阻寄存器):用于存放检流电阻值

RSTC (电阻温度系数寄存器):用于对温漂较高的电阻进行补偿。

COB (失调电流偏置寄存器):用于存放ADC测量电流的失调值。当失调电流为正时,该寄存器设置为负值。在电流累积时会将失调电流减去。

RSGAIN (电阻增益寄存器):用于设置电阻的增益。允许使用低成本电阻,然后通过该寄存器调整电阻值,另外,也可以通过调整该寄存器间接相当于调整了测量电流的增益误差。

另外,还有一些其它的电流,例如器件本身消耗的电流、电池自放电的电流以及一些其它的漏电流,这些电流都不会流经检流电阻,因此无法通过测量进行累积。电流累积偏移(AB)寄存器则用于补偿这些电流损耗。

如何应对电量随温度的变化?

电量计内部带有温度传感器,可测量电池的温度,如果将电池满电量与温度的对应关系写入器件,根据测量的电池温度,就能计算出当前的温度下电池的满电量,电池在不同温度、不同的放电电流情况下所能释放出的电能总量也是不同的,因此,也要将不同电流、不同温度下电池放空后的剩余电量(该部分电量无法释放出来) 写入内部寄存器。电池可以以最大允许放电电流范围内的任意值进行放电,如何存储这么多的放电曲线?幸运的是,采用电池供电的系统通常有两种工作模式:正常工作模式和待机模式。因此,只需要将这两种状态下的放电曲线(分别称为有效空电量和待机空电量)保存在内部寄存器中就可以了,这个过程称之为电池建模。

14309626481779.jpg

                         图3.不同温度下电池的满电量和空电量曲线

将图3中各温度点下对应的空/满电量值写入寄存器即可,对于相邻温度点之间的温度,按照线性化进行处理。
 
根据测量得到的电池温度以及内部的电池模型,器件可计算出当前温度下的满电量和空电量(待机空电量和有效空电量),ACR寄存器内部存储的是目前电池计量 电量,从ACR中减去该温度下的空电量,就可以得到剩余的绝对电量,用绝对剩余电量与该温度下的满电量相比,得到的百分比值称为相对剩余电量。
 
该温度下的满电量对于未经老化的新电池可以通过模型获得,对于老化的电池,由于电池容量下降,如何确定满电量?
 
如何确定老化电池的满电量?
 
器件内部有两个寄存器:老化容量寄存器(AC)和老化系数寄存器(AS),AC寄存器存储电池的标称容量,器件内部的计数器在电池放电时进行加计数,当计 数值达到32倍的AC寄存器值后会将AS寄存器中的值减1,这相当于将电池的容量减少了0.78%,通过这种方式可以实现电池老化,在设计时,如果增大 AC寄存器的值会降低电池的老化速度,减小AC寄存器的值会加速电池老化。
 
电量计长时间运行会累积误差,为消除累积误差,电量计还提供了“学习”的功能,触发“学习”功能和完成一个完整的“学习”周期是需要一定条件的:必须检测 到有效空电量点才能触发“学习”功能,此时,开始充电,必须不间断充电直到检测到满电量点才能完成“学习”过程,当完成一个完整的“学习”周期后,电量计 会自动根据当前温度下的满电量值以及老化系数进行更新ACR,消除了ACR累积的误差。
 
电量计设计
 
通过以上介绍了电量计的具体工作原理,以及电量计针对不同温度、不同电流状态作出的修正和老化处理措施,可以对内部寄存器进行配置,使电量计精确预报剩余电量。
 
电池参数保存在器件内部参数EEPROM寄存器,这些参数分别是:
 
RSNSP:保存外部检流电阻阻值
 
RSGAIN:设置检流电阻的增益
 
RSTC:设置电阻的温度系数
(该电阻阻值的精度直接决定了电量累计的精度)
 
VCHG:电池充满时对应的电压值
 
IMIN:电池充满电时对应的充电电流值
 
VAE:电池有效空电量时对应的电压点
 
IAE:电池有效空电量时对应的电流值
 
这些参数和电池的“学习”过程相关,只有当电池电压从大于VAE的电压降到低于VAE的电压同时放电电流大于IAE中设定的电流时才能检测到空电量点,否 则就认为没有检测到空电量点,当检测到空电量点时,就会在状态寄存器中置学习标志位。此时,需要对电池进行不间断充电直至充满,电量计检测充满要根据 VCHG和IMIN中设置的值进行判断,只有到电池电压达到VCHG并且充电电流低于IMIN时,电量计才会认为电池充满,此时,内部会将AS寄存器更 新,完成学习过程。这些寄存器要根据实际应用进行设置,如果设置不正确可能无法完成学习过程。
 
其它的一些存储器与电池模型相关,在存储电池模型对应的电量时采用斜率的方式进行存放,这样可以减少内部存储单元的数量。
 
当这些寄存器正确设置后,经过一个完整的放电和充电周期后,电量计就能够正确报告剩余电量以及百分比。
 
通常情况下,电池包内部带有电池保护板,如果电量计位于电池保护板的内侧,通常是没有问题,但是如果电量计位于电池保护板的外侧,当保护板启动保护时,电量计将会掉电,此时,电量计内部的测量数据会丢失(参数数据由于保存在EEPROM中,不会丢失),此时,如果再次上电,ACR以及AS寄存器的值会从内部的备份存储器恢复,ACR的备份是RARC变化4%备份一次,因此,最大有可能造成电量4%的报告误差,因此,建议在设计时将电量计放在保护板的内侧,这样,即使保护板发生保护,电量计也不会掉电。

所属类别: 解决方案

该资讯的关键词为:

联系我们

深圳市超思维电子股份有限公司

公司地址:深圳市宝安区松岗罗田象山大道268号

电话:+86-755-61189790   传真:+86-755-61189794 
邮箱:chaosiwei@szcsw.cn

大客户直线:干先生 +86-755-61130107  13825291720
邮箱:ganguanghua@szcsw.cn

扫一扫访问手机端    关于超思维微信


  

Copyright © 2015 深圳市超思维电子股份有限公司, All Rights Reserved.  粤ICP备10216470号
地址:深圳市龙华区龙华街道和平东路港之龙科技园科技孵化中心三楼     电话:+86-0755-66881879 61189790     传真:+86-0755-61189794     中企动力技术支持

 
  • 电话咨询

  • 13825291720