電量計(jì)可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：主機(jī)端或電池端（參見(jiàn)圖3）。在主機(jī)端系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單的電池包連接到主機(jī)充電器，主機(jī)充電器中的應(yīng)用處理器與連接到主機(jī)端的電量計(jì)IC進(jìn)行通信。這種架構(gòu)適合采用嵌入式電池的系統(tǒng)，或者使用壽命較短（僅需數(shù)年）的可拆卸電池系統(tǒng)，同時(shí)也適合成本敏感型應(yīng)用。

圖3. 主機(jī)端（上圖）和電池端（下圖）電量計(jì)架構(gòu)。

相反，在電池端系統(tǒng)中，電池包內(nèi)置電量計(jì)IC。這種架構(gòu)適合使用壽命較長(zhǎng)的可拆卸電池系統(tǒng)。通過(guò)在電池包首次裝入手持設(shè)備時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，該方法還能有效實(shí)現(xiàn)電池的安全認(rèn)證（詳見(jiàn)“通過(guò)驗(yàn)證解決假冒偽劣問(wèn)題”部分）。

傳統(tǒng)的電量計(jì)方法主要基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，即通過(guò)檢測(cè)電阻來(lái)測(cè)量充電和放電電流以估算電荷流量，或者基于開(kāi)路電壓(OCV)測(cè)量來(lái)估算剩余電荷（例如，4.2 V對(duì)應(yīng)100%電荷，2.8 V代表電量耗盡），或者結(jié)合使用這兩種方法（參見(jiàn)圖4）。這兩種方法各有缺點(diǎn)：庫(kù)侖計(jì)數(shù)器隨著時(shí)間的推移會(huì)積累偏置（參見(jiàn)圖5），需要在電池完全放電或無(wú)負(fù)載時(shí)進(jìn)行誤差重置。電壓計(jì)設(shè)備則依賴于電池的開(kāi)路電壓。然而，典型電池放電曲線呈現(xiàn)平坦特性，因此很難確定開(kāi)路電壓。此外，負(fù)載條件對(duì)此也有很大的影響（參見(jiàn)圖6）。

圖4. 具有庫(kù)侖計(jì)數(shù)器和電壓檢測(cè)功能的電量計(jì)設(shè)備通用架構(gòu)。

圖5. 庫(kù)侖計(jì)數(shù)器隨時(shí)間推移積累偏置誤差以及OCV測(cè)量后校正的示例。

圖6. 實(shí)際SoC與負(fù)載條件下依據(jù)電壓計(jì)設(shè)備中的OCV測(cè)量估算的SoC不一致，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確測(cè)量電池的開(kāi)路電壓。

此外，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器和電壓計(jì)設(shè)備本身不考慮內(nèi)部自放電、電池老化或溫度，而這些因素都會(huì)顯著影響電池的充電狀態(tài)。

為了提高精度，需要更先進(jìn)的傳感技術(shù)。例如，ADI公司的ModelGauge?系列通過(guò)使用兩種獨(dú)立的算法來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估電池的充電狀態(tài)，從而提供精確的電量計(jì)數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖7）：ModelGauge和ModelGauge m5。

圖7. 各種測(cè)試條件下的充電狀態(tài)誤差：ModelGauge（藍(lán)色）與傳統(tǒng)算法 （紫色）。

ModelGauge用百分比表示充電狀態(tài)。該算法在不斷開(kāi)負(fù)載的情況下估算負(fù)載條件下的OCV。OCV使用實(shí)時(shí)仿真進(jìn)行計(jì)算，以電池電壓作為輸入并結(jié)合電池的動(dòng)態(tài)參數(shù)。該方法在0°C以上的溫度下提供良好的準(zhǔn)確性。

ModelGauge m5是一種相當(dāng)精密的算法，它提供的數(shù)據(jù)不僅僅是充電狀態(tài)，還包括絕對(duì)容量（單位為mAh）、電量耗盡所需的時(shí)間、充滿電所需的時(shí)間、電池年限、壽命預(yù)測(cè)以及有關(guān)電池的其他詳細(xì)信息。該算法測(cè)量電壓、電流和溫度。因此，它能夠在所有工作條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，包括低溫或高負(fù)載等復(fù)雜的條件。該算法適用于主機(jī)端和電池端實(shí)現(xiàn)。

ADI提供大量帶有集成保護(hù)器和認(rèn)證器的電量計(jì)設(shè)備，適合主機(jī)端（MAX1726x系列）和電池端設(shè)計(jì) (MAX17201/MAX17211和帶自放電檢測(cè)器的MAX17300/MAX17310）。對(duì)于較大的2S節(jié)及以上電池， ModelGauge (MAX17049)和ModelGauge m5 (MAX17261/MAX17263)均可用于集成充電器（線性：MAX17330/MAX17332或降壓：MAX77840/MAX77818) ，以提供單芯片電池管理系統(tǒng)。

對(duì)于需要使用USB充電的設(shè)備，ADI提供AccuCharge?技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)USB BC1.2和更先進(jìn)的USB-C功率傳輸(PD)新型充電技術(shù)，為電池充電提供完整的信號(hào)鏈。例如，MAX77757和MAX77787提供符合JEITA充電配置的自動(dòng)Type-C和BC1.2檢測(cè)。所有配置使用電阻或數(shù)字輸入引腳完成，并優(yōu)先考慮電阻設(shè)置，確保在電池電量耗盡的情況下正確啟動(dòng)。所有USB檢測(cè)均已內(nèi)置，圍繞這些設(shè)備設(shè)計(jì)的架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)無(wú)固件設(shè)計(jì)過(guò)程（參見(jiàn)圖8）。

圖8. 通過(guò)無(wú)固件設(shè)計(jì)過(guò)程，MAX77757/MAX77787等電源設(shè)備支持單芯片架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)USB Type-C (≤15 W)充電。

這些設(shè)備的集成度高，因此最終設(shè)計(jì)更加小巧、更加高效。例如，通過(guò)改善熱管理，系統(tǒng)可以更快、更高效地充電，同時(shí)，外形尺寸縮小34%，有利于實(shí)現(xiàn)緊湊的可穿戴設(shè)計(jì)（參見(jiàn)圖9和10）。

圖9. 得益于集成式設(shè)計(jì)和優(yōu)化的熱管理，外形尺寸縮小34%，可支持實(shí)現(xiàn)緊湊的可穿戴設(shè)計(jì)。

圖10. 圖9所示的設(shè)計(jì)（基于MAX77757）提供出色的充電效率，提升幅度約 為3.5%。

對(duì)于15 W以上的充電功率，ADI提供USB-C PD系統(tǒng)，將MAX77958 PD 控制器與支持AccuCharge技術(shù)的 MAX77985/MAX77986 充電器（適用于1節(jié)電池）或MAX77960/MAX77961 充電器（適用于2節(jié)及以上電池）相結(jié)合。MAX77958 PD控制器提供完全兼容的USB-C PD3.0充電器控制、自動(dòng)電纜方向和電源角色檢測(cè)功能，以及用于控制充電器的I2C主接口（參見(jiàn)圖11）。

圖11. USB PD (>15 W)雙芯片架構(gòu)的框圖。

MAX77985/MAX77986可提高USB-C PD電池供電設(shè)備的效率。考慮到手 持計(jì)算機(jī)和移動(dòng)掃描儀中每天要多次更換電池包，高速充電意味著可減少停機(jī)時(shí)間。內(nèi)置高效、集成控制器和充電器的充電設(shè)備可通過(guò)USB-C PD實(shí)現(xiàn)高性能充電。這樣一來(lái)，電池包充電速度加快，而溫度卻不會(huì)升高，從而盡可能減少電池壓力，大幅延長(zhǎng)電池工作壽命（參見(jiàn)圖12）。

圖12. 高性能充電器可加快電池充電速度，并保持適宜的溫度，從而降低電池壓力并大幅延長(zhǎng)電池工作壽命。

通過(guò)這些架構(gòu)，OEM可以提高使用單節(jié)鋰電池和多節(jié)電池（適合較高電壓用例）的應(yīng)用效率（參見(jiàn)圖13）。

圖13. 基于USB-C的完整1S和2S節(jié)及以上電池充電架構(gòu)。

通過(guò)驗(yàn)證解決假冒偽劣問(wèn)題

設(shè)計(jì)電池供電設(shè)備時(shí)，防止假冒偽劣是必須要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。各行各業(yè)都需要大量高價(jià)值的電池，因此對(duì)造假者而言，電池是一個(gè)有利可圖的目標(biāo)。假冒電池的制造標(biāo)準(zhǔn)通常不高，因此，它們發(fā)生內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)更高，危險(xiǎn)的短路會(huì)造成熱失控，產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，導(dǎo)致冒煙或火災(zāi)事件（參見(jiàn)圖14、15和16）。

圖14. 假冒電池內(nèi)部短路會(huì)導(dǎo)致熱失控、冒煙和火災(zāi)。

圖15. 電池過(guò)度充電導(dǎo)致熱失控而引起的退化階段。

圖16. 利用主機(jī)端驗(yàn)證器的電池驗(yàn)證過(guò)程，可有效防止使用不安全的假冒電池。

智能電池電量計(jì)電路可提醒系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)部短路并切斷電池，從而避免潛在問(wèn)題。此外，帶有電池端智能電量計(jì)的系統(tǒng)可以使用電量計(jì)來(lái)驗(yàn)證電池真?zhèn)?。電池和設(shè)備共享一個(gè)密鑰，使電池能夠在安裝時(shí)向設(shè)備驗(yàn)證其真實(shí)性。如果確定電池未經(jīng)認(rèn)證，設(shè)備可以阻止運(yùn)行并避免使用假冒電池可能引起的潛在安全問(wèn)題（參見(jiàn)圖16）。

結(jié)論

ADI提供大量高精度電池電量計(jì)設(shè)備，這些設(shè)備具有附加電池保護(hù)和驗(yàn)證功能，并使用160位密鑰進(jìn)行SHA-256安全驗(yàn)證，以防止電池克隆。電量計(jì)IC會(huì)先在工廠使用安全密鑰進(jìn)行編程，再發(fā)運(yùn)給電池制造商進(jìn)行電池包的最終組裝。