如何提高便携式设计的电池容量读数精度

由于产品的运行时间受到电池容量的限制，因此必须有一种精确的方法来测量剩余电池容量，以避免意外关机。本应用笔记描述了一个在狗追踪项目中获得准确电池容量读数的实验。

介绍

我的狗摩卡经常喜欢在徒步旅行时跑在我前面进行一些越野探索。她总能找到我 后来，但有时在我开始寻找她很久之后，所以我想找到一种方法来轻松跟踪她的位置。Adafruit是一家总部位于纽约的开源硬件 该公司还为想要尝试或了解有关电子产品的更多信息的人们提供了许多资源。这 该公司的GPS记录狗背带项目涉及使用Adafruit的可缝制微控制器平台FLORA和 GPS模块跟踪狗的位置。我认为这将是监控我的狗在远足时活动的好方法，所以我 与我的同事穆罕默德·伊斯梅尔（Mohamed Ismail）一起承担了可穿戴狗跟踪系统项目。

对于我们的原型，除了FLORA和GPS模块外，我们还集成了MAX1472 ISM发送器来广播GPS。 坐标，以及四个FLORA RGB智能NeoPixel LED，使摩卡在夜间徒步旅行中更加明显。这些新像素 还用于指示电池中的剩余电量，以便我们知道何时在系统关闭之前获得皮带 下。我们使用绿色表示 50% 或更多的电荷，黄色表示 50% 到 25% 之间的电荷，红色表示 表示 25% 或更低的费用。

在我们最初的迭代中，几乎所有东西都完美地工作 - 我们能够获得GPS坐标，闪烁不同的 新像素颜色，以及与ISM发射器的广播坐标。我们监测电池状态的方法 但是，收费 （SOC） 没有按预期工作。为了估计 SOC，我们使用了基于 在项目运行时测量电池电压。我们发现 NeoPixel 在总数的 25% 中不是红色的 运行时，但仅适用于 9%。我们决定研究确定电池SOC的不同方法，以便我们可以 确定最准确的方法。

分压器还是电量计IC？

确定电池电量的一种简单方法是测量电池两端的电压。在阿达果植物区系 平台上，分压器（图3）连接到板载微控制器的ADC输入。然后，用户可以 获取ADC读数并计算其端子处的电池电压。端电压用于估计 电池的剩余电量，基于电池的特性和系统的关断电压。

图3.分压器用于确定 Adafruit FLORA 上的电池电量。

使用分压器计算SOC的一个主要缺点是它经常产生不一致的读数。电池的 端电压取决于 SOC 以及负载电流、温度和年龄。这三者的任何变化 参数可能导致结果不准确。如果负载电流发生变化或电池温度偏离，则估算 基于简单电阻分压器的电池SOC不会那么精确。我们最初的设计具有恒定的脉冲负载 并且用于室外操作，导致电池寿命指示器非常具有误导性。

使用电量计IC是分压器方法的替代方法。燃油计量方法非常复杂， 因此，更昂贵;但是，它们可以非常准确。电阻分压器上的总电阻 FLORA为160kΩ，因此连接到Li+电池时消耗~23μA。我们不想更换电阻分压器 由于功耗更高，因此我们选择了仅使用7μA电流的电量计IC。Maxim的MAX17055使用该公司名为ModelGauge™ m5的电量计算法，该算法结合了 两种最常见的电量计方法——库仑计数和开路电压测量——报告电池的 SOC，误差仅为 1%。另一个 ModelGauge m5 技术的创新之处在于它包括一个 EZ 配置功能，消除了 需要电池表征，这是大多数电量计IC所需要的。

图4.Maxim的MAX17055电量计IC采用ModelGauge m5技术确定电池电量。

比较测试

我们进行了一系列测试，将FLORA上的原始分压器与Maxim的MAX17055电量计IC进行比较。 测量电阻分压器后，用MAX17055替换元件。要保持一致性，请保持 测试结果，我们使用一个150mAhr电池进行所有测试。首先，我们通过放电 具有恒定负载的电池，观察分压器和电量计的结果。接下来，我们使用了 更真实，脉冲负载对电池放电，并观察分压器和电量计的精度。

使用电阻分压器的基线测试

FLORA 上分压器的输出只是帮助您确定电池的端电压;因此 必须执行一些计算才能将电压读数转换为易于理解的电荷百分比。第一 我们使用125mA的恒定负载使电池完全放电。在恒定时间报告电池电压 间隔。图5显示了电池完全放电时五个放电周期的平均电池电压。 然后，我们使用两种不同的方法从电压输出端确定放电过程中电池的SOC。 分。

图5.电池在恒流负载下放电时随时间推移的平均电池电压。

在我们的第一种方法中，我们将电池的电压与剩余电量的一定百分比相关联。150mAh电池 用于测试的最大充电电压为4.2V，因此该电压与100%充电相关。最小排放量 电池的电压为3.0V，因此该电压与0%充电相关。根据这两个估计，我们使用了线性 将FLORA分压器报告的电池单元电压转换为近似百分比的公式 剩余电量。这是我们的“线性”近似方法。虽然电池之间很容易形成关系 电池电压和SOC，它不是很准确，因为如图5所示，电池单元电压不会降低 出院时呈线性。

下一种方法是通过测量电池的放电时间来基于消耗的电量。在恒定负载电流下， 通过的时间量与消耗的电荷量成正比（库仑/秒×秒=库仑），因此SOC （库仑）。在这种情况下，100% 的电荷与首次将负载放置在 电池。0% 的电量与设备关机的时间相关。要使用此方法形成准确的模型， 我们平均发现了五次放电测试。从那里，我们为平均 SOC 创建了一条四阶趋势线。更高的 对于每个电池电压样本，阶多项式将变得不切实际。这条趋势线的等式是 用于将电池电压与 SOC 相关联。图 6 中的实线表示平均 SOC 曲线，而虚线表示 表示趋势线。这是我们的“多项式”近似方法;参见图 6 的公式 趋势线。

图6.四阶多项式，可用于将电池电压近似为充电百分比 剩余。

使用MAX17055进行基线测试

最后，我们将这两个近似值与Maxim的电量计IC MAX17055的输出进行了比较。MAX17055输出 许多结果，包括电池电压、负载电流、年龄和温度。它还使用 ModelGauge m5 算法来 近似于电池的 SOC。以恒定负载对电池放电会导致 SOC 线性降低 时间——这是我们希望看到的结果。图7中的紫色图显示了电量计IC的读数， 以及上述线性和多项式近似。

图7.电池放电时基于分压器的线性模型的恒定电流充电， 分压器的多项式模型和电量计的 SOC 模型。

从图 7 可以明显看出，每个近似值都假设电池在不同时间充满 50% 和充满 25%。图 8 显示了电池放电时 NeoPixel 的颜色。在右侧的条形图中，您可以看到我们使用的每个模型的运行时间百分比与我们预期看到的所需结果的比较。线性模型的条形图显示，NeoPixel保持绿色，表示>电量为50%，即使电池电量接近25%！

图8.左图显示了使用每个模型放电期间的 NeoPixel 颜色。右图所示 以易于与所需结果比较的形式说明相同的数据。

在这种情况下，多项式模型和电量计都报告了相当准确的结果。然而，实际设计 没有使用恒定负载电流。即使模型可以在恒流负载下工作，当切换到 更真实的脉冲负载。

三种电量计方法的脉冲负载测试

为了真正测试所有三种电量计方法的功能，我们必须使用真实的脉冲进行另一个实验 放置在系统中的负载电流。负载在消耗125mA电流4分钟和消耗60mA电流2分钟之间交替 纪要。许多系统在待机电流和有功电流消耗之间的差异要大得多，这会加剧 此测试的结果。我们使用了与上述基线测试相同的三种方法——基于电压的线性模型 分压器、基于分压器的多项式模型以及MAX17055报告的SOC。图 9 显示了结果 的脉冲负载测试。紫线是电量计随时间推移报告的 SOC。蓝线是近似值 使用线性模型从分压器获得SOC，而使用多项式模型近似绿线。

图9.电池放电时基于分压器的线性模型的恒定电流充电， 分压器的多项式模型和电量计的 SOC 模型。

图10a和图10b提供了相同数据的视图，每个视图都显示了放电期间NeoPixel的颜色。

图 10.每个型号的 NeoPixel 在脉动负载下对电池放电时的颜色。

两种方法都使用分压器的结果来近似引入的剩余电池容量 输出中的错误脉冲。这些结果显然是不准确的，并产生令人困惑的结果，交替出现 在绿色和黄色之间，黄色和红色之间。这证明了负载变化对端电压的影响 电池。Maxim电量计中的复杂算法显示了对负载效应的免疫力，并继续 输出与电池实际 SOC 相匹配的 SOC 线性下降。由于应用中的负载电流是恒定的 我们的研究结果只是强调了使用像MAX17055这样的电量计IC的重要性。

结论

在使用便携式电子设备时，消费者希望能够信任剩余电池的准确性 负责。有一些简单、廉价的方法来估计电池SOC，但它们的结果远非准确。一个 方法类似于FLORA上描述和使用的分压器报告随负载变化很大的数据。这可以 让我觉得我有足够的电池容量再走 10 分钟，只是让我的狗的追踪器关闭 在我找到她之前就下来了。更先进的电量计IC，如MAX17055，提供值得信赖的精度。我 实验使我确信，电量计IC值得每一分钱。

审核编辑：郭婷