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电池电量的检测与监测

时间:2017-03-08 14:43来源:未知 作者:admin 点击:
锂聚合物电池是一种新型的二次锂电池,具有更大的容量;内阻较低,允许10C充放电电流。它和锂离子电池一样需要精确的充放电控制。

电池电量的检测与监测

       电池测试在线供稿:    通常,在电量计数据资料中CR的单位为mVACR的单位为mVh。锂离子电池是目前最常见的二次锂电池,拥有高能量密度,与高容量镍镉/镍氢电池相比,其能量密度为前者的1.52倍。其平均使用电压为3.6V,是镍镉电池、镍氢电池的3倍。它的内阻较大,不能进行大电流充放电,并且需要精确的充放电控制,以防止电池损坏并达到最佳使用性能。

锂聚合物电池是一种新型的二次锂电池,具有更大的容量;内阻较低,允许10C充放电电流。它和锂离子电池一样需要精确的充放电控制。目前,锂聚合物电池主要用于一些需要大电流充放电的应用中,如动力/模型汽车等。锂离子电池广泛使用在各种便携电子产品中,包括手机、笔记本电脑、mp3等。           

   电池电量计工作原理

     电池电量计对流入/流出电池的总电流持续进行积分,并将积分得到的净电荷数作为剩余容量。    

     简化的电池电量计如图1所示。其中,RSNS级检流电阻,RL为负载电阻。电池通过开关、RSNSRL放电时的电流IORSNS两端产生的压降为VS(t)=IO(t)×RSNS。电量计持续检测RSNS两端的压差VS,并将其通过ADC转换为N位的数字量Current(简称CR),之后以时基确定的速率进行累加,M位累加结果Accumulated_Current(简称ACR)的单位为Vh(伏时)。对量化后的VS进行累加相当于对其进行积分,结果为:

    

    电池电量。因此,将ACR值除以检流电阻RSNS的阻值即得到以Ah(安时)为单位的电池容量。ADC转换结果和累加后的结果都带有符号位,按照图1中的连接方式,充电时CR为正,ACR递增;放电时CR为负,ACR递减。外部微控制器可以读取CRACR值,经过换算得到真实的充放电电流和电量值。    

    实际的电量计还包括一些控制和接口逻辑,通常还能检测电池电压和温度等参数。一些智能电量计可以自动完成电池自放电的修正,还可保存电池特性曲线,允许用户定制电池电量计算法。     

    充电电池容量估算方法

    在多数便携应用中,都需要随时了解电池剩余容量以估算电池使用时间。      

图1 简化的电池电量计框图

简化的电池电量计框图

    最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间有一个确定的关系,测量电池端电压即可估算其剩余容量。这种方法的局限是:1)对于不同厂商生产的电池,其开路电压与容量之间的关系各不相同。2)只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果,但是大多数应用都需要在运行中了解电池的剩余容量,此时负载电流在内阻上产生的压降将会影响开路电压测量精度。而电池内阻的离散性很大,且随着电池老化这种离散性将变得更大,因此要补偿该压降带来的误差将十分困难。综上所述,通过开路电压来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度,只能提供一个大致的参考值。     

    另一种大量应用的方法是通过测量流入/流出电池的净电荷来估算电池剩余容量。这种方法对流入/流出电池的总电流进行积分,得到的净电荷数即为剩余容量。电池容量可以预置,也可在后续的完整充电周期中进行学习。在补偿电池自放电、不同温度下的容量变化等因素后,这种方法可以获得令人满意的精度,因此广泛运用于笔记本电脑等高端应用中。     

 

    电池电量计的计算

    通常,在电量计数据资料中CR的单位为mVACR的单位为mVh     

    根据前文的说明,CR值为取样电阻两端的电压值,典型的12bitCR如表2所示。

    

    其中,S为符号位,20LSB。如果CR的满偏值为F,则其LSB的计算公式如下:

    1 

    CR的读数为M,取样电阻为值RSNS,则实际的电流值为:

    2 

    电流方向由S位确定。若满偏值F±64mV,则LSB±15.625μVRSNS10mΩ时最大电流为±6.4A。若M768,则实际电流为:

    ACR为取样电阻两端电压的累积值,典型的16bitACR如表3所示。

    

    其中,S为符号位,20LSB。如果ACR的满偏值为F,则LSB的计算公式如下:

    3

    净电荷量由S位确定。若满偏值F±204.84mVh,则LSB±6.25μVhRSNS10mΩ时最大电量为±20.48Ah。若M7680,则实际电量为

电池电量监测计就是一种自动监控电池电量的IC,其向做出系统电源管理决定的处理器报告监控情况。一个不错的电池电量监测计至少需要一些测量电池电压、电池组温度和电流的方法、一颗微处理器、以及一种业经验证的电池电量监测计算法。bq2650x bq27x00 均为完整的电池电量监测计,其拥有一个用于电压和温度测量的模数转换器 (ADC) 以及一个电流和充电感应 ADC。这些电池电量监测计还拥有一颗运行 TI 电池电量监测计算法的内部微处理器。这些算法将对锂离子 (Li-ion)电池的自放电、老化、温度和放电率进行补偿。该微处理器可以使主机系统处理器不用进行没完没了的计算。

电池电量监测计提供了诸如¡ 电量剩余状态¡ 等信息,同时 bq27x00 系统还提供了¡ 剩余运行时间¡ 信息。主机在任何时候都可以询问到这种信息,并由主机来决定是通过 LED 还是通过屏幕显示消息来通知最终用户有关电池的信息。由于系统处理器只需要一个 12C 或一个 HDQ 通信驱动,因此使用电池电量监测计非常简单。

电池组电路描述
1 描述了电池组中的应用电路。根据所使用电池电量监测计 IC 的不同,电池组将至少具有三到四个可用外部终端。
1 典型的应用电路

VCC BAT 引脚将接入电池电压,用于 IC 功率和电池电压的测量。一只低阻值感应电阻被安装在电池的接地端,以使感应电阻两端的电压能够被电池电量监测计的高阻抗 SRP SRN 输入监控到。流经感应电阻的电流有助于我们确定电池的已充电量或已放电量。在选择感应电阻值时,设计人员必须考虑到其两端的电压不应该超过 100 mV。太小的电阻值在低电流条件下可能会带来误差。电路板布局必须确保 SRP SRN 到感应电阻的连接尽可能地靠近感应电阻的各个端点;即Kelvin 连接测量。

HDQ/SDA SCL 引脚均为开漏器件,二者都要求有一个外部上拉电阻。这种电阻应该位于主机侧或主应用侧上,以使电池电量监测计的睡眠功能在电池组与便携式设备的连接断开后能够被激活。推荐上拉电阻器值为 10 kΩ

电池组验证

便携式设备的可充电电池必须在设备寿命结束之前得到更换。这就给那些提供便宜的替代电池的厂商打开了一个巨大的市场,而这些电池可能并没有原始设备制造商要求的安全和保护电路。

因此,除了电池电量监测计功能以外,电池组可能还包括验证特性(请参见图 2)。主机将验证包含计算循环冗余码校验 (CRC) ICTIbq26150)的电池组。这种CRC 基于这种身份验证以及在 IC 中秘密定义的 CRC 多项式之上。主机还对CRC 进行计算,并对各种值进行比对,以确定是否成功获得了验证。如果没有,那么主机将决定是再进行一次验证还是不允许该电池的系统供电。一旦电池通过验证,那么 bq26150 将接收到一个命令,以确保所有通过数据线的通信在主机和电池电量监测计之间得到传输。

就此来看,主机可以继续利用电池电量监测计的功能。在断开电池以及重新连接至电池时,都必须重复进行整个验证过程。

 

 


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