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如何精確預(yù)測(cè)電池電量?看完這篇你就懂了!

發(fā)布時(shí)間:2020-02-20 來(lái)源:Robert Huntley 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無(wú)論是使用智能手機(jī)、健身追蹤器、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、室外導(dǎo)航設(shè)備、相機(jī)還是手持式收發(fā)器,都會(huì)遇到意想不到的低電量警告。大多數(shù)情況下,這類警告信息只會(huì)帶來(lái)不便,但對(duì)于安全和應(yīng)急設(shè)備來(lái)說(shuō),可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。
 
電池是便攜式電子設(shè)備的唯一電力來(lái)源
 
無(wú)論是使用智能手機(jī)、健身追蹤器、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、室外導(dǎo)航設(shè)備、相機(jī)還是手持式收發(fā)器,都會(huì)遇到意想不到的低電量警告。大多數(shù)情況下,這類警告信息只會(huì)帶來(lái)不便,但對(duì)于安全和應(yīng)急設(shè)備來(lái)說(shuō),可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。
 
通過(guò)電量計(jì)確定電池充電狀態(tài)
 
由于電池材料、化學(xué)成分和環(huán)境溫度都會(huì)發(fā)生變化,因此只通過(guò)電量計(jì)檢測(cè)電池電壓所得到的結(jié)果并不可靠。此外,電池阻抗也會(huì)隨著充電狀態(tài)和電池老化程度而變化,實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量更是難上加難。
 
每種電池的化學(xué)特性都會(huì)產(chǎn)生一種獨(dú)特的放電特征,有些比較適合表示基于電壓的充電狀態(tài),而有些電壓和負(fù)載電流放電曲線幾乎是一條直線,使得電量計(jì)只能顯示100%或一條平坦的曲線。所以需要引入另一種能夠測(cè)量電池充放電電流的方法,即所謂的庫(kù)侖計(jì)法來(lái)確定充電狀態(tài)。這種方法考慮到了電池老化和自放電特性。
 
充電狀態(tài)的重要性
 
隨著消費(fèi)者對(duì)技術(shù)的日益了解,能否精確地指示電池充電狀態(tài)成為了衡量手持消費(fèi)電子設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池充電狀態(tài),許多制造商會(huì)根據(jù)特定的應(yīng)用和用例來(lái)定制電池,導(dǎo)致產(chǎn)品延遲上市,有些情況下還需向第三方供應(yīng)商發(fā)貨。然而,國(guó)家對(duì)于鋰離子等電池的運(yùn)輸監(jiān)管法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格,對(duì)運(yùn)輸方式和剩余電量均有明確的規(guī)定。
 
除了電池運(yùn)輸法規(guī)外,為了便于日常使用和儲(chǔ)存,還需要在設(shè)計(jì)中加入其他監(jiān)測(cè)電子設(shè)備,以使相對(duì)易揮發(fā)的電池(許多電池能夠提供數(shù)百安培的電流)能在安全的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。售后電池供應(yīng)商為了節(jié)省成本往往會(huì)忽略電池安全問(wèn)題,因此需要設(shè)備制造商在其電池和終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加電池加密認(rèn)證技術(shù),以免出現(xiàn)安全問(wèn)題。
 
測(cè)量充電狀態(tài)所面臨的挑戰(zhàn)
 
如上所述,能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池充電狀態(tài)并將其顯示在電量計(jì)上,不僅需要考慮運(yùn)行期間的功耗,還需考慮待機(jī)期間的功耗。在運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中,還需要考慮設(shè)備放在櫥柜中或“箱子里”時(shí)所產(chǎn)生的靜態(tài)電流。電量計(jì)本身也會(huì)消耗能量,因此,在計(jì)算電池可攜帶多少電量,以及消費(fèi)者收到電池后是否有足夠的電量來(lái)工作時(shí),需要考慮到這一點(diǎn)。
 
作為消費(fèi)者,我們喜歡產(chǎn)品在收到后無(wú)需充電即能工作。而為了保持電量計(jì)指示準(zhǔn)確,相關(guān)電路必須始終處于接通狀態(tài)。在消費(fèi)者使用產(chǎn)品之前關(guān)閉電量計(jì),會(huì)造成充電狀態(tài)指示不夠準(zhǔn)確。請(qǐng)注意,為確保運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)期間的安全,如果溫度過(guò)高或部件故障導(dǎo)致出現(xiàn)短路情況,請(qǐng)謹(jǐn)慎啟用蓄電池保護(hù)功能(溫度、電流和電壓監(jiān)測(cè))。
 
精確的充電狀態(tài)測(cè)量解決方案
 
Maxim Integrated MAX1730x低功耗系列就是一個(gè)很好的示例,它在3mm×3mm的封裝中集成了電量計(jì)、保護(hù)和認(rèn)證功能。MAX17301用于測(cè)量鋰離子電池或鋰聚合物電池的充電狀態(tài),當(dāng)激活輸出FET時(shí),具有24µA的超低靜態(tài)電流,休眠期間更是低至18µA;禁用FET時(shí),電流可降至0.1µA。此IC提供了一系列全面的電池健康狀態(tài)和安全保護(hù)功能,包括過(guò)壓(取決于溫度)、過(guò)充電流、電池欠/過(guò)溫、欠壓和過(guò)放電/短路。MAX1730x還具有用于與主微控制器通信的單線/I2C接口,以便讀取MAX1730x的數(shù)據(jù)和控制寄存器(圖1)。
 
http://m.anotherwordforlearning.com/art/artinfo/id/80037674
圖1:Maxim Integrated MAX1730x方框圖(來(lái)源:Maxim Integrated)
 
電池健康狀態(tài)和保護(hù)要求由電壓、電流和溫度決定。Maxim的ModelGauge m5算法可用于計(jì)算電池的充電狀態(tài),既具有庫(kù)侖計(jì)出色的短期高精度、高線性度特性,又具有電池開路電壓測(cè)量出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此溫度補(bǔ)償算法的附加輸入可產(chǎn)生精確的充電狀態(tài)讀數(shù)(圖2)。該算法計(jì)算的是電池的開路電壓,包括帶載情況。
 
http://m.anotherwordforlearning.com/art/artinfo/id/80037674
圖2:使用ModelGauge m5算法計(jì)算Maxim MAX1730x的校正充電狀態(tài)(來(lái)源:Maxim Integrated)
 
MAX1730x通過(guò)電池老化特性和放電率來(lái)補(bǔ)償電量計(jì)讀數(shù)。它提供了各種工作條件下的充電狀態(tài)百分比或毫安時(shí) (mAh) 讀數(shù)。該算法還可提供滿充時(shí)間和老化預(yù)測(cè)功能,以預(yù)測(cè)電池何時(shí)開始因老化和使用而導(dǎo)致容量下降。數(shù)據(jù)記錄功能使用非易失性存儲(chǔ)器記錄電池壽命周期內(nèi)的多達(dá)13個(gè)參數(shù),包括自首次通電以來(lái)的時(shí)間。
 
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圖3:詳細(xì)說(shuō)明Maxim Integrated ModelGauge m5算法的原理圖表(來(lái)源:Maxim Integrated)
 
結(jié)論
 
能夠在電量計(jì)中準(zhǔn)確顯示電池的充電狀態(tài),而無(wú)需對(duì)蓄電池進(jìn)行耗時(shí)的特性描述,是衡量一個(gè)產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵。Maxim采用ModelGauge m5算法的電量計(jì)IC MAX1730x不僅實(shí)現(xiàn)了這一功能,而且通過(guò)結(jié)合保護(hù)和認(rèn)證功能,節(jié)省了寶貴的電路板空間和材料清單 (BOM)。

本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子。
 
 
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