最初面世的電池電量計是以庫侖計量法為基礎(chǔ)的,采用這樣的計量方法有著很堅實的理論依據(jù),因為對電流積分便可得到電量是個很基礎(chǔ)的物理常識,順著這個思路得到產(chǎn)品也就很正常了,只是這樣的操作存在一個問題,你得知道積分的零點在哪里,也需要知道積分的滿點在哪里,這樣才能得到準確的計量,知道每個時刻點的電池儲能狀態(tài)在其整個容量當中所占的比例即荷電狀態(tài)(SoC,State ofCharge)。由于知道庫侖計量法的原理,我在很多年前開始使用第一臺智能手機的時候就會經(jīng)常去做一個動作,把電池電量用盡關(guān)機以后再給它充電到滿電,目的就是告訴它零點是什么,滿點又是什么,否則就會常常出現(xiàn)可能顯示還有 10% 電量時就突然關(guān)機了的問題。
顯示電量還有 10% 就突然關(guān)機,其中涉及的實際情況是電池實際電量已經(jīng)支撐不住它的外顯電壓了,系統(tǒng)因為電池電壓太低而主動關(guān)機,而這時候它所使用的電量計所報告的電量還能支撐它工作很久,于是兩者之間就發(fā)生了矛盾,最終取勝的當然是物理限制本身,可以任意被人支配的數(shù)據(jù)在這時候是一點也沒有意義的。這樣的狀況如果是發(fā)生在一臺設(shè)計良好的系統(tǒng)里,它便能從斷電關(guān)機這一事實得到電池電量實際零點的位置,為它的下一個計量周期做好最充分的準備,使下一次的計量更準確一點,而這也就是我主動讓手機工作到主動關(guān)機為止的理論依據(jù)。
庫侖計量法導(dǎo)致電量計算誤差是有原因的,一是電池本身的特性在隨著環(huán)境、時間的影響而發(fā)生變化,這些變化都可以從其內(nèi)阻的變化上反映出來;二是電池本身存在自放電,在電池外接電路上進行電流測量根本就不能反映這個部分的影響;三是信號采樣的誤差,因為沒有任何數(shù)模轉(zhuǎn)換器能夠準確反映現(xiàn)實世界的模擬信號本身,就像國家統(tǒng)計局發(fā)布的 GDP 數(shù)據(jù)沒有辦法將我家請一個鐘點工的勞動報酬反映出來一樣,而同樣的問題在所有的數(shù)?;旌舷到y(tǒng)中都是存在的,所以我們能得到的數(shù)據(jù)都只能作為參考,不能當作是真的;四是任何數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都不能以連續(xù)的方式收集到每時每刻的電流信息,采樣只是在某些時間點上進行的,這樣便不能反映實際電流的全部信息。這些問題不僅會導(dǎo)致庫侖計量法在每一個當下的計量誤差,由于采用積分運算的緣故,它們還會被累積起來,時間越長便會發(fā)生越大的影響,而像我那樣時不時地來一次清零的動作就是在幫它做出重新的標定,盡可能使它回到離原點最近的地方。
我在工作中最初與電量結(jié)緣是因為要為使用鋰離子電池的 MP3 等設(shè)備提供一個可以代替 A/D 轉(zhuǎn)換器的低成本方案,那時利用的是可以由用戶自行設(shè)定檢測閾值的電壓檢測器 RT9801B,你只需要改變它幾個輸入端的狀態(tài)就可以達到目的,非常方便與 GPIO 端子有很多富余的數(shù)字系統(tǒng)連接,最終帶來降低系統(tǒng)成本的效果。這種方法能夠?qū)嵤┑脑驈膬蓚€數(shù)據(jù)可以看出來,其一是電池的放電曲線:
其二是 RT9801B 的電壓檢測閾值與其閾值設(shè)定端之間的關(guān)系:
系統(tǒng)設(shè)計者只需要根據(jù)已經(jīng)知道的當前電池電壓區(qū)間設(shè)定好新的電壓檢測閾值,當電池電壓變化到這個閾值的時候,RT9801B 輸出端的狀態(tài)就會發(fā)生變化,這樣便知道電池電量已經(jīng)到了新的水平了,隨即改變顯示在屏幕上的圖標狀態(tài)即可讓用戶知道當前的電池荷電情況。這種做法對電量的測量很不精確,但是已經(jīng)可以滿足當時的需要了,所以是可以被接受的,實際上就是到了今天也還有很多設(shè)備是這么做的,我最近購買的一臺洗車機就是這樣的電量顯示方式,對我來說覺得已經(jīng)夠用了。
鋰離子電池的外顯電壓與其實際電量之間的關(guān)系并不是完全一一對應(yīng)的,這與實際的負載情況有很大的關(guān)系,但是如果將電池開路電壓、實際電壓與其儲能之間的關(guān)系聯(lián)系起來做成算法,還是可以比較準確地計算出電池的荷電狀態(tài),只不過由于缺少電流信息,實際的電池電量不能得出,能給出的是電池儲能的相對狀態(tài),而且精度還很高,立锜的第一代電量計產(chǎn)品便是這樣做的,下面的數(shù)據(jù)可以告訴你它的精度水平:最大誤差可以做到 ±3% 以下。
由于只需測量電壓便可以獲得電池荷電狀態(tài)信息,這種電量計的應(yīng)用電路便非常簡單:
這給它帶來一個好處:只要將電量計和電池連接在一起,電量計很快就可以得出電池的荷電狀態(tài)信息,無需經(jīng)歷電池完全放電和充滿電的過程,因此在使用上就可以和電池分離,使電池成為可以隨時取出、隨時接入的部件,所以就可以被安裝在系統(tǒng)板上而不用像庫侖電量計那樣必須裝在電池包里。
僅僅利用電壓信息計算電池荷電狀態(tài),最大的缺點是不能獲得具體的電池電量信息。假如在此基礎(chǔ)上再加入電流信息和電池的容量信息,此兩者便成為以電壓為基礎(chǔ)的電量計的補充資料,既能獲得電池的實際電量,又能對荷電狀態(tài)的計算誤差進行修正,將計量準確性提高到一個全新的水平:<±1%,具體數(shù)據(jù)可參看下圖:
因為要測量電流,加入電流檢測電阻就是必要的了,于是形成了全新的應(yīng)用電路圖:
在上圖中,電流檢測電阻連接在 RT9426 的 CSP 和 CSN 之間。為了提高安全性,RT9426 還加入了溫度檢測電路,可在溫度超過容許范圍時及時通知系統(tǒng)停止充電、放電等操作。
新功能的加入會讓電路變得復(fù)雜,但是這種付出是有價值的。如果你對型號為 RT9422A 的全新電量計產(chǎn)品進行探索,會發(fā)現(xiàn)它有更顯復(fù)雜的應(yīng)用電路:
因為它又加入了第二級安全控制電路,可在緊急狀況下切斷外接熔絲,使電池和外接電路的連接徹底斷開以確保安全,此功能是獨立于鋰離子電池的保護電路而存在的。它還另外加入了使用 SHA-1/HMAC 算法的密鑰驗證機制,可對接入系統(tǒng)的電池進行身份認證,而這在電路圖上是看不出來的,因為密鑰和計算結(jié)果的傳遞通過 SDA/SCL 所代表的數(shù)據(jù)接口就可以傳輸了,不需要其他的電路進行配合。
應(yīng)用系統(tǒng)的需求不同,對所用電量計的選擇也不同,重點在于知道自己需要什么,同時也了解不同電量計的特性,這樣便可將兩者聯(lián)系起來進行選擇。無論你最后的選擇是什么,都需要知道準確計量的前提是要對電池特性有一個準確的了解,這需要通過測量電池特性并從所得數(shù)據(jù)中推算出電池的模型參數(shù)才能獲得,這就需要你和立锜技術(shù)支持團隊配合工作來進行了,如果不進行這步工作而直接使用,所得結(jié)果也可以使用并具有一定的參考價值,但其精度總是有限的。
轉(zhuǎn)載自 RichtekTechnology。