【導(dǎo)讀】圍繞電池電量監(jiān)測，本文由ADI代理商駿龍科技的工程師Boris Wang為大家介紹ADI LTC2944 高至 60V 精準(zhǔn)庫侖計(jì)方案，助力打造高性能電池監(jiān)測系統(tǒng)，涵蓋電池設(shè)備的普及性、準(zhǔn)確電量監(jiān)測的重要性以及電量測量的原理，以及對 LTC2944 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及具體的庫侖計(jì)方案進(jìn)行深入解析。
電池設(shè)備的普及應(yīng)用
從手機(jī)電腦、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具，再到新能源汽車、醫(yī)療儀器、工業(yè)設(shè)備，電池已經(jīng)成為越來越多電子產(chǎn)品的標(biāo)配部件。尤其是輕便的鋰離子電池的誕生，讓所有設(shè)備脫離電源線成為了可能。這些設(shè)備可以顯示當(dāng)前的剩余電量或運(yùn)行時(shí)間，這是產(chǎn)品使用中最重要的用戶體驗(yàn)之一。
隨著時(shí)間的推移，我們能夠明顯感受到，電池始終是會(huì)越來越不耐用的。有時(shí)候，這會(huì)形成一種 “續(xù)航焦慮”，例如，雖然設(shè)備顯示剩余 “10%” 的電量，然而它可能在下一秒就立刻關(guān)機(jī)了。在很多高功率多電池的設(shè)備中，如果用戶沒有足夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池電量耗盡，就可能會(huì)出現(xiàn)十分危急或嚴(yán)重的后果，例如臨床醫(yī)療儀器的突然斷電會(huì)危及病人生命、工廠儀器的突然宕機(jī)會(huì)造成產(chǎn)線緊急關(guān)停。
如下圖 (圖1) 所示，為某型號(hào)鋰離子電池的循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系，可以明顯看到，充放電約深度，電池可使用的壽命越短。在日常的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們很難去約束客戶的充放電習(xí)慣，因此電池壽命往往是不可提前預(yù)測的，必須通過行而有效的電氣測量手段測量。
圖1 鋰電池的循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系
如何精準(zhǔn)地測量電池剩余電量、預(yù)測電池真實(shí)續(xù)航能力，是電子工程界一直致力解決的技術(shù)問題。由于電池是一種不穩(wěn)定的電化學(xué)系統(tǒng)，對它的準(zhǔn)確電參數(shù)采集就至關(guān)重要，實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測功能顯然需要精密且專用的模擬電路方案。
高集成化電量監(jiān)測
除了充電、保護(hù)和電池平衡電路外，電池電量測量也是智能多電池系統(tǒng)中常見的功能之一。無論是什么樣的電池供電設(shè)備，涉及電池的電路系統(tǒng)都面臨著一系列獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵氐碾姎庑再|(zhì)總是在變化。例如，電池的最大容量 (也稱為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率總是隨著時(shí)間的推移而降低，而充電和放電速率也會(huì)隨著溫度的變化而變化。精心設(shè)計(jì)的電池系統(tǒng)可以不斷地動(dòng)態(tài)處理這些參數(shù)變化，以便為使用者提供一致且準(zhǔn)確的電池性能變現(xiàn)參數(shù)。對應(yīng)到實(shí)際體驗(yàn)中，我們就可以準(zhǔn)確輸出一些指標(biāo)，讓產(chǎn)品更具 “高級(jí)感”，包括：
● 當(dāng)前剩余充電時(shí)間
● 當(dāng)前系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間
● 預(yù)期電池壽命 (或剩余充電次數(shù))
從目前電子行業(yè)的主流技術(shù)來看，準(zhǔn)確的電池電量測量功能，需要一個(gè)精準(zhǔn)的電池庫侖計(jì) IC 和相關(guān)的電池專用模型，最終系統(tǒng)是需要形成一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——荷電狀態(tài) (SOC)。SOC 是指電池使用一段時(shí)間或長期擱置不用后，剩余容量與其全新且完全充電狀態(tài)時(shí)的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為，SOC 是當(dāng)前電池容量占最大容量的百分比。雖然市面上有一些電量計(jì) IC 集成了電池模型和算法，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些 IC 往往會(huì)以犧牲準(zhǔn)確性為代價(jià)，以簡化 SOC 的估計(jì)算法。
如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號(hào) LTC2944 的庫侖計(jì)，它可以支持到最高 60V 的電池電壓，它提供的是最基本的精準(zhǔn)庫侖計(jì)方案，再由用戶根據(jù)實(shí)際使用的電池模型進(jìn)行電量估計(jì)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能。這是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)提供方式，將不確定因素開放給用戶，以更自由地使用器件，兼容更多高精確度應(yīng)用，下文將進(jìn)行進(jìn)一步探討。
圖2 LTC2944 60V庫侖計(jì)方案
電量測量的原理
目前的研究表明，精確的庫侖計(jì)數(shù)、電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計(jì) SOC 的先決條件，迄今為止，行業(yè)內(nèi)能夠做到的 SOC 估計(jì)誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所示是各種電池的典型充放電曲線，在傳統(tǒng)的電壓型電量估計(jì)方法中，最困難之處就在平坦充放電區(qū)間的電量估計(jì)，因?yàn)檫@時(shí)電池電量的變化只會(huì)帶來很小電壓變化，于是會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)在很長一段時(shí)間內(nèi)報(bào)告 75% 的 SOC，然后卻突然下降到 15% 的 SOC。
庫倫計(jì)數(shù)的方式，能夠很精確地確定當(dāng)前電池處于曲線哪個(gè)位置，尤其是平坦區(qū)的位置。具體的方法是：
● 當(dāng)電池充滿電時(shí)，用戶將庫侖計(jì)數(shù)器初始化為已知的電池容量。
● 在釋放庫侖時(shí)遞減計(jì)數(shù)或在充電庫侖時(shí)遞增計(jì)數(shù) (能適應(yīng)只充一部分電的情況)。
這種方案最大的優(yōu)勢在于，這種電量計(jì)算方式不需要知道電池的化學(xué)成分。由于 ADI LTC2944 集成了庫侖計(jì)數(shù)器，因此這款 IC 可以輕松地用于多種電池設(shè)備，與電池的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。
圖3 各種類型電池的典型充放電曲線
在電路系統(tǒng)得到庫倫計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)之后，軟件算法上，要根據(jù)電池模型進(jìn)行數(shù)學(xué)換算，以確定 SOC 的值，如下圖 (圖4) 所示的是一種經(jīng)典的電池模型，涉及到串聯(lián)并聯(lián)的多個(gè)參數(shù)，實(shí)際上，這里還沒有考慮比較重要的溫度參數(shù)影響。模型分析與換算的方法是專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，在此不進(jìn)行贅述，但可以確定的是，這個(gè)模型最基本要獲知的就是電壓、電流以及庫侖計(jì)數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)。
圖4 經(jīng)典的電池模型
精準(zhǔn)的庫侖計(jì)方案
上文中提到了準(zhǔn)確進(jìn)行 SOC 分析的前提，是準(zhǔn)確得到電壓、電流、溫度、庫侖計(jì)數(shù)參數(shù)。LTC2944 正是這樣一款能夠單芯片獲取所有參數(shù)的平臺(tái)方案。它的外圍電路也十分簡單，易于設(shè)計(jì)開發(fā)，將高精度的需求保障集成在芯片內(nèi)部。
LTC2944 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
如下圖 (圖5) 所示為 LTC2944 的工作原理。從物理意義來說，電荷 (庫侖) 是電流在時(shí)間層面的積分。LTC2944 通過監(jiān)測采樣電阻兩端產(chǎn)生的電壓來測量電荷，這個(gè)電壓范圍是 ±50mV，芯片對其的精度高達(dá) 99%。其中差分電壓被施加到自動(dòng)調(diào)零的差分模擬積分器以換算電荷。
當(dāng)積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) 時(shí)，開關(guān)將會(huì)切換以反轉(zhuǎn)電壓變化方向。控制電路將觀察開關(guān)的狀態(tài)和電壓變化方向以確定極性。接下來，可編程預(yù)分頻器允許用戶將積分時(shí)間增加 1 到 4096 倍。隨著預(yù)分頻器的每次下溢出或上溢出，累積電荷寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個(gè)計(jì)數(shù)單位。
圖5 LTC2944 的工作原理
值得注意的是，LTC2944 庫侖計(jì)數(shù)器中使用的模擬積分器引入了最小的差分偏移電壓，因此最大限度地減少了對總電荷誤差的影響。許多庫侖計(jì) IC 對感測電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以推斷電荷。在這樣的方案中，差分偏移電壓可能是誤差的主要來源，尤其是在小信號(hào)讀取期間。
例如，假設(shè)一個(gè)電量計(jì)方案中，是基于 ADC 原理的庫侖計(jì)數(shù)器，并具有 20uV 的最大指定差分電壓偏移水平，則該電壓偏移對 1mV 的輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字積分后，偏移導(dǎo)致的充電誤差為 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器，電荷誤差僅為 0.04%，小了 50 倍。
極高的精度表現(xiàn)
當(dāng)庫侖計(jì)工作在平坦充放電曲線的區(qū)間時(shí)，電流和溫度是系統(tǒng)需要獲取的關(guān)鍵參數(shù)。這種設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于，電池的端子電壓 (帶載時(shí)) 會(huì)受到電池電流和溫度的顯著影響。因此，必須對電壓讀數(shù)進(jìn)行校正補(bǔ)償，補(bǔ)償因子是與電池電流、開路電壓 (空載時(shí))、溫度成比例的。在操作過程中為了測量開路電壓，就需要斷開電池與負(fù)載的連接，這是不切實(shí)際的，因此實(shí)際操作中是根據(jù)電流和溫度曲線調(diào)整端子電壓讀數(shù)。
由于獲得高 SOC 精度是系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)目標(biāo)，LTC2944 使用 14 位無延遲 ΔΣADC 用于測量電壓、電流和溫度，精度分別高達(dá) 1.3% 和 ±3℃。事實(shí)上，LTC2944 的性能實(shí)際表現(xiàn)還要更好。如下圖 (圖6) 顯示了 LTC2944 中的某些精度值是如何隨溫度和電壓而變化的，主要體現(xiàn)了以下三個(gè)規(guī)律特點(diǎn)。
● 當(dāng)測量電壓時(shí)，ADC 總的未調(diào)整誤差小于 ±0.5%，且在感測電壓范圍內(nèi)較恒定
● 當(dāng)測量電流時(shí)，ADC 增益誤差通常在工作溫度下小于 ±0.5%
● 對于任何給定的感測電壓，溫度誤差僅隨溫度變化約 ±1 攝氏度
所有這些精度指標(biāo)加在一起，就會(huì)顯著影響 SOC 的精度，這就是為什么電壓、電流和溫度的監(jiān)測對電池電量計(jì)應(yīng)用很重要。
圖6 LTC2944 各種精度表現(xiàn)圖
LTC2944 在測量電壓、電流和溫度時(shí)，提供四種 ADC 操作模式。在自動(dòng)模式下，芯片以幾毫秒的周期連續(xù)執(zhí)行 ADC 轉(zhuǎn)換，而掃描模式是每 10 秒轉(zhuǎn)換一次，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在手動(dòng)模式下，芯片對命令執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。每當(dāng)芯片處于睡眠模式時(shí)，靜態(tài)電流都會(huì)降至 80uA。LTC2944 的整個(gè)模擬部分也可以完全關(guān)閉，以將靜態(tài)電流進(jìn)一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在系統(tǒng)中額外耗電的存在感進(jìn)一步降低。
為何沒有電池模型？
用戶可以使用數(shù)字 I2C 接口從 LTC2944 讀取電池電量、電壓、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C 配置幾個(gè) 16 位寄存器，讀取狀態(tài)、控制開/關(guān)，并為每個(gè)參數(shù)設(shè)置可報(bào)警的高閾值和低閾值。警報(bào)系統(tǒng)消除了連續(xù)軟件輪詢的需要，并釋放 I2C 總線和主機(jī)來執(zhí)行其他任務(wù)。此外，ALCC 引腳既可用作 SMBus 警報(bào)輸出，也配置為充滿電或放空電的提示信號(hào)。有了所有這些數(shù)字功能，有人可能仍然會(huì)問，“為什么 LTC2944 沒有內(nèi)置電池模型或 SOC 估計(jì)算法?” 答案很簡單，為了追求極致的準(zhǔn)確性。
雖然具有內(nèi)置電池配置文件和算法的電量計(jì)芯片可以簡化設(shè)計(jì)，但它們往往是根據(jù)實(shí)際電池做的不充分或不相關(guān)的模型，并在這個(gè)過程中犧牲了 SOC 的準(zhǔn)確性。例如，用戶可能被迫使用由未知來源或未知溫度范圍內(nèi)生成的充放電曲線；可能不支持精確的電池化學(xué)性質(zhì)，這會(huì)對 SOC 精度造成更大影響。
關(guān)鍵是，精確的電池建模通?？紤]許多變量，并且足夠復(fù)雜，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進(jìn)行建模，以獲得最高水平的 SOC 精度，而不是依賴于不準(zhǔn)確的通用內(nèi)置模型。這些內(nèi)置模型也使電量計(jì)功能變得不靈活，難以重復(fù)設(shè)計(jì)到其他應(yīng)用中。實(shí)際調(diào)試開發(fā)中，在軟件中進(jìn)行 SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。
此外，高電壓范圍也是 LTC2944 與當(dāng)今市場上其他類似功能產(chǎn)品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電，也可以由高達(dá) 60V 的滿電電池組供電，解決了從低功耗便攜式電子產(chǎn)品到高壓電動(dòng)汽車的任何應(yīng)用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡，這可以進(jìn)一步降低 LTC2944 電路的總功耗并提高精度。
總結(jié)
電池電量監(jiān)測是一項(xiàng)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)工作，因?yàn)橛性S多相互依賴的參數(shù)會(huì)影響 SOC。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的是，準(zhǔn)確的庫侖計(jì)數(shù)，加上電壓、電流和溫度讀數(shù)，是估計(jì) SOC 的最準(zhǔn)確方法。LTC2944 庫侖計(jì)提供所有這些參數(shù)的測量功能，并且故意規(guī)避了內(nèi)部電池建模功能，允許用戶在特定應(yīng)用軟件中實(shí)現(xiàn)自己的相關(guān)配置文件和算法。此外，測量和配置寄存器可以通過 I2C 接口輕松實(shí)現(xiàn)，支持最高 60V 的電池系統(tǒng)，并且可用于任何化學(xué)成分的電池，最重要的是，它的準(zhǔn)確度是行業(yè)內(nèi)無與倫比的。
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