準確的電池電量計依賴于了解電池在不同環(huán)境和工作條件下的行為的幾個特性。要收集這些所需信息，必須在已知條件下對電池進行特性分析。本應(yīng)用筆記概述了對電池進行特性分析的分步方法，包括如何收集和解釋數(shù)據(jù)。它還解釋了如何將數(shù)據(jù)集成到 Maxim 電池管理設(shè)備的評估軟件中，以便與電量計軟件算法一起使用。
介紹
為了準確估算 Li+ 電池的剩余容量，必須了解電池如何隨溫度和各種電流負載而變化。本應(yīng)用筆記概述了一種方法，用于表征 Li+ 電池、收集和解釋數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加載到 Maxim 電池管理設(shè)備的評估軟件中，以便與電量計一起使用。該設(shè)備將使用累積電流寄存器 (ACR) 監(jiān)控流入和流出 Li+ 電池的電流，電量計將 ACR 與計算出的電池滿點和空點進行比較，以確定剩余容量。
表征 Li+ 電池的程序
1. 確定充電和放電曲線
表征 Li+ 電池的最佳方法是創(chuàng)建一個盡可能接近實際應(yīng)用的環(huán)境。這包括保護電路、由應(yīng)用的典型有源電流和待機電流組成的放電曲線、充電曲線以及應(yīng)用可能遇到的環(huán)境溫度。這需要一種方法來模擬電池的充電和放電以及改變溫度的能力。通常，用于表征的溫度范圍為 0°C 至 40°C，步長為 10°C。評估軟件要求溫度點相差 10°C。
工作電流是終端用戶使用應(yīng)用時從 Li+ 電池吸取的典型電流。待機電流是應(yīng)用處于空閑狀態(tài)時從 Li+ 電池吸取的典型電流。
評估軟件的電量計部分所指的活動空點和待機空點定義為 Li+ 電池在活動電流和待機電流負載下達到空電壓(由用戶定義)時的容量。空點如圖1所示，可在步驟 5 中找到。用戶可以為活動電流和待機電流負載定義單獨的空電壓。滿點定義為充電電路認為 Li+ 電池已充滿電時的容量。有關(guān)使用Maxim 電池管理器件和電量計的詳細信息，請參閱應(yīng)用筆記 131“使用 Maxim 電池監(jiān)控 IC 進行鋰離子電池電量計”。
圖 1. 逐步放電過程中電壓和電流隨時間的變化。
2.校準設(shè)備的失調(diào)寄存器
按照特定器件數(shù)據(jù)手冊中的說明，將 Maxim 電池管理器件正確連接到 Li+ 電池后，下一步就是校準器件的偏移。使用特定器件的評估軟件，校準偏移很容易。確保電路上沒有負載，然后單擊“儀表”選項卡上的“校準偏移”按鈕。如果不使用評估軟件，應(yīng)用筆記 224“校準 DS2761 的偏移寄存器”中提供了校準偏移的分步方法。
3. 開始記錄數(shù)據(jù)
使用評估軟件可以輕松記錄數(shù)據(jù)。只需轉(zhuǎn)到“數(shù)據(jù)記錄”選項卡，將“采樣間隔”設(shè)置為 15 秒，然后單擊“記錄數(shù)據(jù)”。建議使用 15 秒間隔，因為它可以記錄足夠的數(shù)據(jù)來捕獲所有數(shù)據(jù)點，而不會創(chuàng)建太大的文件。所有實時數(shù)據(jù)都將記錄到指定的文件名中，直到按下“停止記錄數(shù)據(jù)”按鈕。
4. 在室溫下循環(huán)電池
一個重要的初始步驟是磨合電池。通常，Li+ 電池的容量在其使用壽命的最初幾個周期內(nèi)會變化幾個百分點。建議在對電池進行特性分析之前，對電池進行 20 次完整的充電和放電循環(huán)。此時不需要記錄數(shù)據(jù)，但這樣做將允許用戶監(jiān)控設(shè)備中任何額外的偏移量，這些偏移量需要在分析最終數(shù)據(jù)時加以考慮。
5. 在最高溫度下開始校準
建議在最高溫度下開始特性分析，因為通常這是 Li+ 電池具有最大容量的狀態(tài)，這為其余數(shù)據(jù)提供了良好的參考點。讓電池穩(wěn)定在最高溫度下，然后將電池完全放電至待機空電點。接下來，根據(jù)應(yīng)用的充電曲線對電池完全充電;這將是該溫度下的滿電點。然后在有功電流負載下將電池完全放電至用戶定義的有功空電電壓，以找到有功空電點。最后，將負載更改為待機電流值，并繼續(xù)將電池放電至待機空電電壓，以找到待機空電點。
為了加快這一過程，用戶可以選擇將電流從有功電流負載降低到待機電流負載?？紤]圖 1 所示的示例，其中有功電流定義為 200mA，待機電流定義為 5mA，兩者的空電壓均定義為 3.3V?？梢越邮艿淖龇ㄊ牵?200mA 負載下將電池放電至 3.3V 以達到有功空電壓點，然后，讓電池靜置幾秒鐘后，在電池上施加 100mA 負載，直到再次達到空電壓。繼續(xù)將電流負載降低至 50mA、20mA、10mA 和最后 5mA，直到達到空電壓，該點將成為待機空電壓點。這將使電池達到同一點，而無需在 5mA 負載下放電電池所需的延長時間。
6. 在每個溫度下重復(fù)
一旦達到某個溫度的待機空點，就轉(zhuǎn)到下一個溫度并開始完全充電。充電完成后，即為該溫度下的滿點。然后放電至活動和待機空點。繼續(xù)此過程，逐步完成所有所需的溫度點。
根據(jù)特性數(shù)據(jù)確定數(shù)據(jù)點
評估軟件將實時數(shù)據(jù)以制表符分隔格式記錄到文本文件中，以便輕松導(dǎo)入電子表格。然后可以對數(shù)據(jù)進行排序或繪制圖表以找到所需的數(shù)據(jù)。
7. 找到所有必要的數(shù)據(jù)點
然后，用戶可以對日志文件進行排序，并標記所有滿點、活動空點和待機空點。執(zhí)行此操作的一種簡單方法是滾動瀏覽數(shù)據(jù)并查看“電流”列，注意電流讀數(shù)的變化，并在電子表格的未使用列中放置“x”。例如，當電流從充電變?yōu)榉烹姇r，標記滿點，或者當活動電流負載結(jié)束時，標記為活動空點，或者當電流從放電變?yōu)槌潆姇r，標記為待機空點。然后使用電子表格應(yīng)用程序的自動過濾功能輕松查看已標記的興趣點。
表 1顯示了 DS2761 在表征 Li+ 電池時收集的數(shù)據(jù)示例，其中過濾出并標記了感興趣的數(shù)據(jù)點。本例中使用的充電曲線是 900mA 的恒定電流充電，直到電壓達到 4.2V。然后，以 4.2V 的恒定電壓對電池進行充電，直到電流逐漸減小到 70mA 以下，這被定義為滿點。在 350mA 負載下，活動空點定義為 3.0V。在 3mA 負載下，待機空點定義為 2.7V。電池在 40°C、30°C、20°C、10°C 和 0°C 下進行表征。
如果在步驟 4 中記錄了電池循環(huán)過程中的數(shù)據(jù)，則可以比較空點以查看是否存在增加或減少的趨勢，這將表明電流讀數(shù)中存在一些偏移。由于循環(huán)是在恒定溫度下進行的，因此如果偏移完全消除，空點應(yīng)該全部對齊。如果檢測到偏移，則需要將其作為偏移量添加到 ACR 列中，以獲得 Li+ 電池的準確特性。
表 1. Li+ 電池的特性數(shù)據(jù)
|
時間 |
電壓 |
當前的 |
溫度 |
乙酰膽堿酯酶 |
標記 |
標簽 |
|
上午 1:13:26 |
3.25 |
918.317 |
40 |
62.38 |
X |
開始 |
|
凌晨 2:12:41 |
4.158 |
480.817 |
40 |
927.97 |
X |
休息 |
|
凌晨 2:41:34 |
4.197 |
68.688 |
39.75 |
1032.7 |
X |
滿的 |
|
上午 5:26:54 |
3.035 |
-345.297 |
40.125 |
81.19 |
X |
活動空 |
|
上午 7:36:03 |
2.757 |
-2.475 |
39.875 |
71.04 |
X |
備用空 |
|
上午 8:35:50 |
4.163 |
440.594 |
30.125 |
930.2 |
X |
休息 |
|
上午 9:06:28 |
4.197 |
69.307 |
三十 |
1032.2 |
X |
滿的 |
|
上午 11:50:18 |
3.006 |
-344.678 |
30.375 |
94.06 |
X |
活動空 |
|
下午 1:44:11 |
2.757 |
-3.094 |
30.125 |
80.69 |
X |
備用空 |
|
下午 2:45:07 |
4.168 |
376.856 |
20.125 |
929.95 |
X |
休息 |
|
下午 3:18:54 |
4.197 |
69.926 |
21.125 |
1031 |
X |
滿的 |
|
下午 6:00:16 |
2.987 |
-345.297 |
20.625 |
110.15 |
X |
活動空 |
|
下午 7:46:43 |
2.757 |
-3.094 |
20.5 |
90.1 |
X |
備用空 |
|
晚上 8:51:04 |
4.177 |
306.312 |
10.375 |
928.71 |
X |
休息 |
|
晚上 9:29:26 |
4.197 |
70.545 |
10.5 |
1028.5 |
X |
滿的 |
|
上午 12:06:02 |
2.962 |
-346.535 |
10.875 |
130.94 |
X |
活動空 |
|
凌晨 2:01:00 |
2.757 |
-3.094 |
10.75 |
100.5 |
X |
備用空 |
|
凌晨 3:16:05 |
4.182 |
230.817 |
0.625 |
919.06 |
X |
休息 |
|
上午 4:00:59 |
4.197 |
69.926 |
0.5 |
1019.3 |
X |
滿的 |
|
上午 6:28:55 |
2.943 |
-350.248 |
1.25 |
161.63 |
X |
活動空 |
|
上午 9:18:10 |
2.777 |
0 |
0.875 |
113.61 |
X |
備用空 |
8.確定容量數(shù)據(jù)點
用于確定不同溫度下 Li+ 電池滿電點和空電點的數(shù)據(jù)將是日志文件 ACR 列中的數(shù)據(jù)。滿電點和空電點是相對數(shù)據(jù)點，需要參考一個固定數(shù)據(jù)點。選擇最高溫度下的待機空電點作為參考點，因為它通常是 ACR 在特性分析過程中達到的最低點(此點在表 1 中突出顯示)。因此，所有讀數(shù)都將大于此點，以便于數(shù)據(jù)存儲。
表 2顯示了表 1 中每個關(guān)注點的 ACR 讀數(shù)。選擇 40°C 時的待機空電點作為參考點，因此所有 ACR 讀數(shù)都應(yīng)減去 71.04mAhrs，以確定其他滿電點和空電點。表 3 顯示了 40°C 時待機空電點相對滿電點和空電點的簡單表格，可以輕松輸入評估軟件并存儲在設(shè)備中。
表 2. 從表 1 中提取的滿點和空點
|
溫度 |
0 |
10 |
20 |
三十 |
40 |
|
滿的 |
1019.3 |
1028.5 |
1031 |
1032.2 |
1032.7 |
|
備用空 |
113.61 |
100.5 |
90.1 |
80.69 |
71.04 |
|
活動空 |
161.63 |
130.94 |
110.2 |
94.06 |
81.19 |
表 3. 滿電點和空電點(以 40°C 時的待機空電點為參考)
|
溫度 |
0 |
10 |
20 |
三十 |
40 |
|
滿的 |
948 |
957 |
960 |
961 |
962 |
|
備用空 |
43 |
二十九 |
19 |
10 |
0 |
|
活動空 |
91 |
60 |
三十九 |
23 |
10 |
9. 確定斷點
估算剩余充電時間時需要關(guān)注的一個數(shù)據(jù)點是斷點。斷點用于用兩條線近似充電期間的 ACR 曲線，如圖2所示。斷點由用戶選擇為 ACR 曲線“斷裂”的點，以便兩條線近似的誤差最小。
圖 2. 20°C 充電期間 ACR 和 2-Line 近似值隨時間的變化。
確定斷點的最簡單方法是繪制充電過程中 ACR 隨時間變化的圖表，然后目測曲線的斷點。建議從中間溫度選擇 ACR 曲線，并在所有溫度下使用該斷點。斷點將存儲為小于滿點的 mAhr 數(shù)。在圖 2 中，斷點比滿點少約 100mAhrs。
10.確定充電時間估算數(shù)據(jù)點
FuelPack 算法需要斷點、從空到滿的分鐘數(shù)以及從斷點到滿的分鐘數(shù)，才能準確估計剩余的充電時間。有必要回顧數(shù)據(jù)并標記所有斷點。只需找到滿點并回顧在步驟 9 中選定為斷點的 mAhr 數(shù)即可。
根據(jù)表 1 中的數(shù)據(jù)，獲取前一個溫度(即充電開始時間)、斷點和滿電點下每個待機空電點的時間戳，如表 4所示。表 4 還顯示了每個數(shù)據(jù)點的 ACR。然后使用這些時間戳計算每個溫度下空電和滿電之間的分鐘數(shù)以及斷點到滿電之間的分鐘數(shù)，如表 5所示。評估軟件的電量計算法僅為 3 個溫度的充電數(shù)據(jù)分配足夠的 EEPROM，因此應(yīng)將 0°C、20°C 和 40°C 的數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。
表 4. 各溫度下待機空電點、斷電點和滿電點的時間戳
|
溫度 |
0 |
20 |
40 |
|||
|
時間戳 |
乙酰膽堿酯酶 |
時間戳 |
乙酰膽堿酯酶 |
時間戳 |
乙酰膽堿酯酶 |
|
|
備用空 |
凌晨 2:01:00 |
100.5 |
下午 1:44:11 |
80.69 |
上午 1:13:26 |
62.38 |
|
休息 |
凌晨 3:16:05 |
919.06 |
下午 2:45:07 |
929.95 |
凌晨 2:12:41 |
927.97 |
|
滿的 |
上午 4:00:59 |
1019.06 |
下午 3:18:54 |
1031 |
凌晨 2:41:34 |
1032.7 |
表 5. 估算剩余充電時間所需的數(shù)據(jù)點
|
溫度 |
0 |
20 |
40 |
|
從空到滿（分鐘） |
120 |
95 |
88 |
|
休息至完整（分鐘） |
四十五 |
三十四 |
二十九 |
|
斷點 (mAhrs) |
100 |
|
|
11. 使用適當?shù)臄?shù)據(jù)對設(shè)備進行編程
使用評估套件對設(shè)備進行編程，數(shù)據(jù)來自表 3 和表 5。手動將數(shù)據(jù)輸入到“Pack Info”選項卡的“Fuel Gauging Data”子選項卡的文本框中，如圖3所示，然后單擊“Write”按鈕(未顯示)。數(shù)據(jù)將寫入設(shè)備的暫存器，然后復(fù)制到 EEPROM。
圖3. 將電量計量所需的數(shù)據(jù)加載到評估軟件中。
12. 同步 ACR
準確報告 Li+ 電池容量的最后一步是將設(shè)備的 ACR 與電池容量同步。一個簡單的方法是根據(jù)應(yīng)用的充電曲線對 Li+ 電池充滿電，然后將 ACR 設(shè)置為該溫度下的滿點。要使用評估軟件執(zhí)行此操作，請單擊“電量計量”選項卡上的“啟動電量計量”按鈕啟動電量計量，如圖4所示。充電完成后，單擊“電量計量”選項卡上的“滿”按鈕，ACR 將與電池容量同步。
圖4.評估軟件的電量計量選項卡。
。
概括
Maxim 電量計算法提供了一種精確的方法來跟蹤 Li+ 電池在充電和放電過程中的容量。這需要了解電池的容量以及它在應(yīng)用可能遇到的各種負載和溫度下的表現(xiàn)。一旦使用 Maxim 提供的評估軟件收集和存儲特性數(shù)據(jù)，電量計就會準確估算電池的剩余容量。
下載文檔
