通过电量计IC延长电池电力运行时间

鉴于电池寿命在用户满意度和便携式产品的市场成功中所发挥的关键作用，各种各样的供应商提供燃料或气体计IC都不足为奇。通过在所有操作条件下持续估算电池电量，这些设备执行许多重要任务，包括延长系统运行时间和电池寿命，帮助管理电池的运行状况，并通过报告故障状况来提高安全性。同时，通过执行原本需要使用分立元件的任务，电量计IC有助于减少元件数量，成本和产品占用空间，同时最大限度地减少系统处理器上的软件开销。

然而，准确估算锂离子（Li-ion）电池的容量并非易事。锂离子电池的充电状态（SOC）受各种因素驱动，包括温度和放电率。电量计IC用于估算SOC的算法必须补偿各种问题，如自放电，电池单元的内部阻抗和电池老化。电量计IC必须将这些数据与电池的先前知识相结合，以准确估算SOC。

老化问题是这项任务固有挑战的一个很好的例子。虽然细胞的容量通常不同，但随着细胞老化，个体细胞的容量也随着时间的推移而变化，并且失去了储存电荷的能力（图1）。设计人员在估算SOC时面临的一个更困难的挑战是如何补偿能够在比新电池更短的时间内提供电压的旧电池。

图1：电量计IC必须补偿电池寿命对容量的影响。上图说明了随着电池的年龄或周期数的增加，其随时间保持固定电压的能力下降。 （来源：德州仪器公司）

快速发展

通常，电量计IC位于电池组上，使用低值分流电阻跟踪电流进出电池。早期的电池监控电路只是测量电池的电压。然而，难以获得高度精确的电池容量估计，因为当负载电流水平改变时，对于给定的SOC，电池的瞬时电压可以向上或向下移动。

今天大多数电量计IC都采用库仑计算方法来计算电池容量。这些器件使用带有测量电路和定时器/计数器的小型检测电阻器随时间跟踪毫安电池的进出电池。为了在典型条件下产生电池容量模型，它们从已知的起始点（例如100％容量）计算电池输入和输出的mAH。然后，当电池充电和放电时，电路可以跟踪SOC。

然而，库仑计数方法本身存在一些缺点。这种类型的仪表必须考虑所有运行的充电和放电活动，以准确测量SOC。然而，当电池通常由于自放电而失去电荷时，这种方法通常不能解决长期存储期间的损失。它也无法补偿电流检测电路可能无法测量的广泛变化的负载电流，特别是在极低或高端。

一些电量计供应商将库仑计与片上检测电阻集成在一起，该电阻经温度补偿以提高精度。其他人使用电池阻抗测量来估计锂离子电池的SOC。这种方法使用实时电阻曲线，通过调整所有使用条件下的IR压降来预测电池的放电曲线。通过在系统启动时将库仑计数与系统关闭时的开路电压测量相结合，这些仪表可以提供高精度。

多种选择

今天供应商提供从简单的电量监测计IC到完全集成的电池管理和保护电路，提供广泛的解决方案。对于平板电脑，便携式和可穿戴健康设备以及便携式音频设备等应用，德州仪器（TI）的bq28z610为1系列和2系列锂离子电池组提供高度集成的电量监测计（图2）。该设备通过使用主模式I 2 C充电电流和电压信息广播实现自动电池充电控制，从而最大限度地降低了系统控制器上的软件开销。该集成仪表将低功耗TI bqBMP处理器与高精度模拟前端相结合，具有两个独立的ADC，集成闪存以及各种外设和通信端口。它还增加了一个高端保护N-CH FET驱动器，以支持故障条件下的串行总线通信，以及一个SHA-1认证响应器，用于电池组安全性。

图2：德州仪器的bq28z610电量监测计提供高水平的集成。高性能嵌入式模拟外设支持低至1mΩ的检测电阻，并可同时进行电流/电压数据转换，以进行功率计算。 （来源：德州仪器）

为了在不进行建模或学习的情况下准确计算剩余电池容量，bq28z610采用德州仪器专有的阻抗跟踪算法。虽然许多电量计依赖于模型电池性能或执行重新校准序列来更新片上模型参数，但阻抗跟踪方法使用电池阻抗测量来估计锂离子电池的SOC。德州仪器声称这种方法在电池寿命期间的误差小于1％。

在选择电量计IC时，功耗和占位面积通常是关键考虑因素。低静态电流特别重要，因为当关闭电池负载以定期测量开路电压时，必须给电量计通电。 Maxim的MAX17048和MAX17049电量计IC工作在23μA，在休眠模式下运行低至4μA（图3）。这两款器件体积小巧，采用0.9 x 1.7 mm，8凸块晶圆级封装（WLP）或2 x 2 mm，8引脚TDFN封装。

两款器件均采用Maxim的ModelGauge Li +电池建模算法。与需要多个外部元件（包括检测电阻）的传统库仑计数仪不同，ModelGauge通过提供精确的充电状态来减少占位面积，从而补偿温度和负载，同时消除电阻和电池学习周期。使用系统微控制器实现温度补偿。 MAX17048采用单节锂电池供电，而MAX 17049则支持两节串联锂电池。

图3：凭借其ModelGauge电池建模算法，Maxim Integrated的MAX17048/MAX17049电量计IC通过消除传统电量计设计中使用的电流检测电阻和其他外部元件，减少了占板面积。 （来源：Maxim Integrated）

电流和电压保护是任何电量计解决方案的关键考虑因素。对于单节锂离子电池组，德州仪器公司的bq28550-R1将电池电量监测计与一整套电流和电压保护功能结合在一起（图4）。该器件需要主机微控制器支持实现。 bq28550-R1通过串行接口为系统处理器提供所有关键电池信息，包括充电状态，空载运行时间，充电时间，电池电压和电池组温度。同时，它还提供短路，过流充电和放电，过压充电和欠压保护。

图4：专为电池组设计集成，bq28550-R1单节锂离子电池电量监测计增加了短路，过流，过压和欠压保护。 （来源：德州仪器）

为了准确估算燃料容量，该设备使用补偿放电终止电压（CEDV）方法，其中算法在数学上模拟电池电压作为电池SOC，温度和电流的函数。它还将电池阻抗（Z）建模为SOC和温度的函数。

结论

随着电池容量计的使用范围的扩大，设计师也依赖于他们提供的数据的准确性。今天的便携式系统必须比以往任何时候都更能响应环境条件。它们越来越多地用于根据可用的电池容量做出运营决策。通过精确测量关键参数，准确估算SOC并将信息提供给主处理器，电量计IC可以帮助系统更有效地从电池中提取电力并最大限度地延长运行时间。