库电量计的应用设计

作者:化学

  :摘要:本文简单介绍库仑计的工作原理,并对锂电池的特性作了分析,并且分析了电量计如何针对锂电池的特性准确报告电量数据,文章详述了电量计内部参数寄存器。 引言 电子产业的飞速发展使得半导体集成电路的集成度越来越高、工作电压越来越低、器件功耗也越来越低。与之相对应的是,锂电池产品具有很高的能量密度,而且随着技术的发展,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

  摘要:本文简单介绍库仑计的工作原理,并对锂电池的特性作了分析,并且分析了电量计如何针对锂电池的特性准确报告电量数据,文章详述了电量计内部参数寄存器。

  电子产业的飞速发展使得半导体集成电路的集成度越来越高、工作电压越来越低、器件功耗也越来越低。与之相对应的是,锂电池产品具有很高的能量密度,而且随着技术的发展,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,本文不讨论该部分)。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。

  锂电池存储的能量和能够释放出的能量与温度有关,图1为不同温度下锂电池的状态图。

  从图1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增多,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。

  图2为电池容量与充放电周期的关系图。从图2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。

  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。

  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,然后通过内部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。

  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:

  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。

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