引言

要精確估算鋰離子電池|0">Li+電池的剩余電量，有必要了解電池特性如何隨著溫度和負(fù)載電流的變化而改變。本應(yīng)用筆記介紹了一種獲取Li+電池特性的方法，討論了如何采集并處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評估軟件，用于電量計應(yīng)用中。器件通過累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數(shù)據(jù)與已計算出的電池滿電量和空電量進(jìn)行比較，從而確定剩余容量。

獲取Li+電池特性的步驟

1. 確定充電和放電曲線
獲取Li+電池特性的最好辦法是創(chuàng)造一個盡可能與實際應(yīng)用相類似的環(huán)境。其中包括保護(hù)電路、放電曲線(包括實際應(yīng)用中有效電流和待機(jī)電流的典型值)、充電曲線、及應(yīng)用的周圍環(huán)境溫度。因此要求對電池充電和放電過程進(jìn)行模擬，并且要相應(yīng)調(diào)整工作溫度。通常情況下，應(yīng)該以10°C為步長，在0°C至40°C范圍內(nèi)獲取各種電池特性參數(shù)。同時，評估軟件所要求的溫度點間隔也是10°C。

有效電流指用戶使用過程中Li+電池的典型輸出電流。待機(jī)電流指空閑狀態(tài)時Li+電池的典型輸出電流。

評估軟件電量計部分中Active Empty和Standby Empty分別對應(yīng)Li+電池以有效電流放電和待機(jī)電流放電到空電壓(由用戶定義)的點?？针娏奎c如圖1所示，相關(guān)說明見步驟5。用戶可以定義不同的有效空電量點和待機(jī)空電量點。充電電路將Li+電池充分充電的點定義為滿電量點。有關(guān)使用內(nèi)置電量計的Dallas電池管理器件的詳細(xì)說明，參見應(yīng)用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor。

圖1. 逐步放電過程中電壓與電流的關(guān)系

2. 校準(zhǔn)器件的失調(diào)寄存器
根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應(yīng)校準(zhǔn)器件的失調(diào)。借助于所選器件的評估軟件，可以很容易的對器件的失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)。確認(rèn)電路中沒有接入負(fù)載，然后點擊Meters標(biāo)簽中的Calibrate Offset按鈕。如果不使用評估軟件，可根據(jù)應(yīng)用筆記224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校準(zhǔn)失調(diào)。

3. 開始記錄數(shù)據(jù)
使用評估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進(jìn)入Data Log標(biāo)簽，設(shè)置Sample Interval為15秒并點擊Log Data。建議采用15秒的間隔時間，因為該時間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數(shù)據(jù)點。所有實時數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中，直到點擊Stop Logging Data按鈕。

4. 在室溫下激活電池
首先必須對電池進(jìn)行激活(break-in)。通常，在Li+電池壽命的初期其容量將有百分之幾的波動。因此，建議在測試電池特性之前使其經(jīng)過20次完全充放電周期。在這一過程中無需記錄數(shù)據(jù)，但如果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶監(jiān)視其他電池失調(diào)參數(shù)，以用于最終數(shù)據(jù)分析。

5. 從最高溫度開始校準(zhǔn)
通常建議從最高溫度開始測試電池的特性，因為此時Li+電池容量最大，適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點。設(shè)定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機(jī)空電量點。隨后，根據(jù)實際應(yīng)用要求的充電曲線對電池充分充電，這一點對應(yīng)的是該溫度下的滿電量點。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶定義的有效空電壓，以確定有效空電量點。最后，將負(fù)載變?yōu)榇龣C(jī)電流并繼續(xù)放電，直至電壓降到待機(jī)空電壓，以確定待機(jī)空電量點。

如果想加速該過程，用戶可以將電流從有效電流逐步降低至待機(jī)電流。如圖1所示，設(shè)定有效電流為200mA，待機(jī)電流為5mA，兩種情況下的空電壓均定義為3.3V。采用200mA的電流將電池放電至3.3V，使電壓降到有效空電量點，然后，經(jīng)過幾秒鐘后，再以100mA的電流對電池放電，使其再次達(dá)到空電壓點。隨后放電電流逐步降低，從50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后電池電壓穩(wěn)定在空電壓，該點即為待機(jī)空電量點。這樣，不需要經(jīng)過漫長的5mA放電過程，即可使電池快速達(dá)到相同的空電量點。

6. 在各個溫度下重復(fù)操作
一旦到達(dá)某一溫度的待機(jī)空電量點，立即轉(zhuǎn)入下一個溫度，并開始對電池充電直至電池滿充。充電完成后即到達(dá)該溫度的滿電量點。然后將電池放電到有效空電量點和待機(jī)空電量點。在所有需要的溫度上重復(fù)上述操作，完成對電池特性的測量。

從特性參數(shù)中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)點

評估軟件將實時數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導(dǎo)入電子表格。然后可以通過分類或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數(shù)據(jù)。

7. 找出所有需要的數(shù)據(jù)點
用戶可以對記錄文件里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，標(biāo)記出所有滿電量點、有效空電量點以及待機(jī)空電量點。完成上述過程的簡單辦法是，瀏覽所有數(shù)據(jù)，查找Current列并觀察電流讀數(shù)的變化情況，并且在電子表格中沒有用到的列插入“x”。例如，當(dāng)電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時，記為滿電量點；當(dāng)電池停止以有效電流放電時，記為有效空電量點；當(dāng)電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時，記為待機(jī)空電量點。然后通過電子表格的自動篩選(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各個重要的標(biāo)記點。

表1給出了獲取 Li+電池特性時，使用DS2761采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選后，標(biāo)記出的各個重要數(shù)據(jù)點的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達(dá)到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點即為滿電量點。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點對應(yīng)有效空電量點。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點則對應(yīng)待機(jī)空電量點。分別在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下獲取電池特性參數(shù)。

如果在步驟4的電池激活過程中記錄了數(shù)據(jù)，可以對空電量點進(jìn)行比較，以判斷其是否有增加或減少，進(jìn)而判斷電流值是否存在失調(diào)。因為是在恒溫條件下完成這一激活過程，所以如果不存在任何失調(diào)，則所有空電量點將完全相同。如果存在失調(diào)，則應(yīng)該根據(jù)ACR列所引入的失調(diào)對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的修正，從而準(zhǔn)確測量Li+電池特性。

表1. Li+電池特性參數(shù)

Time

Voltage

Current

Temperature

ACR

Mark

Label

1:13:26 AM

3.25

918.317

40

62.38

x

Start

2:12:41 AM

4.158

480.817

40

927.97

x

Break

2:41:34 AM

4.197

68.688

39.75

1032.7

x

Full

5:26:54 AM

3.035

-345.297

40.125

81.19

x

Active Empty

7:36:03 AM

2.757

-2.475

39.875

71.04

x

Standby Empty

8:35:50 AM

4.163

440.594

30.125

930.2

x

Break

9:06:28 AM

4.197

69.307

30

1032.2

x

Full

11:50:18 AM

3.006

-344.678

30.375

94.06

x

Active Empty

1:44:11 PM

2.757

-3.094

30.125

80.69

x

Standby Empty

2:45:07 PM

4.168

376.856

20.125

929.95

x

Break

3:18:54 PM

4.197

69.926

21.125

1031

x

Full

6:00:16 PM

2.987

-345.297

20.625

110.15

x

Active Empty

7:46:43 PM

2.757

-3.094

20.5

90.1

x

Standby Empty

8:51:04 PM

4.177

306.312

10.375

928.71

x

Break

9:29:26 PM

4.197

70.545

10.5

1028.5

x

Full

12:06:02 AM

2.962

-346.535

10.875

130.94

x

Active Empty

2:01:00 AM

2.757

-3.094

10.75

100.5

x

Standby Empty

3:16:05 AM

4.182

230.817

0.625

919.06

x

Break

4:00:59 AM

4.197

69.926

0.5

1019.3

x

Full

6:28:55 AM

2.943

-350.248

1.25

161.63

x

Active Empty

9:18:10 AM

2.777

0

0.875

113.61

x

Standby Empty

8. 確定電池容量的相關(guān)數(shù)據(jù)
通過記錄文件ACR列的數(shù)據(jù)，可以確定不同溫度下Li+電池滿電量點和空電量點。滿電量點和空電量點只是一個相對值，需要選擇一個固定參考點。選擇最高溫度下的待機(jī)空電量點作為參考，因為該點往往是獲取電池特性參數(shù)過程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此，所有讀數(shù)均大于該點的值，易于進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

表2列出了表1中所有重要的ACR值。選擇40°C時的待機(jī)空電量點作為參考點，將其他所有ACR值減去71.04mAhrs，以得出其他點的滿電量和空電量點。表3列出了以40°C待機(jī)空電量點為參考點的所有滿電量和空電量點的值，可以通過評估軟件很方便的將這些數(shù)據(jù)存儲到器件中。

表2. 表1中的滿電量和空電量點

Temperature

0

10

20

30

40

Full

1019.3

1028.5

1031

1032.2

1032.7

Standby Empty

113.61

100.5

90.1

80.69

71.04

Active Empty

161.63

130.94

110.2

94.06

81.19

表3. 以40°C的待機(jī)空電量點為參考點的滿電量和空電量點

Temperature

0

10

20

30

40

Full

948

957

960

961

962

Standby Empty

43

29

19

10

0

Active Empty

91

60

39

23

10

9. 確定轉(zhuǎn)折點
轉(zhuǎn)折點是用于估計充電剩余時間的重要數(shù)據(jù)點。借助轉(zhuǎn)折點，采用2分折線來近似充電期間的ACR曲線，如圖2所示。轉(zhuǎn)折點由用戶選擇，應(yīng)保證由轉(zhuǎn)折點所確定的2分折線與實際的ACR曲線之間具有的誤差最小。

圖2. 20°C下充電時ACR曲線和2分折線近似的關(guān)系

確定轉(zhuǎn)折點的最簡單方法是：繪出充電期間的ACR時間曲線，觀察曲線在何處發(fā)生轉(zhuǎn)折。建議選擇ACR曲線的中間溫度作為轉(zhuǎn)折點，同時所有溫度均選擇該點作為轉(zhuǎn)折點。該轉(zhuǎn)折點以低于滿電量電多少mAhrs表示。圖2中，轉(zhuǎn)折點約比滿電量點低100mAhrs。

10. 確定各個點的充電估計剩余時間
FuelPack算法要求提供轉(zhuǎn)折點、所有溫度下從空電量點到滿電量點的時間以及所有溫度下從轉(zhuǎn)折點到滿電量點的時間這一系列數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)剩余充電時間的精確估算。因此，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并篩選出所有轉(zhuǎn)折點?？梢哉页鏊袧M電量點，減去步驟9中所選的轉(zhuǎn)折點的mAhrs值，即可以很簡單的找出轉(zhuǎn)折點。

從表1中的數(shù)據(jù)中，取前一個溫度點的待機(jī)空電量點的時間(開始充電的時間)、轉(zhuǎn)折點的時間以及滿電量點的時間，制成表格如表4所示。表4也給出了每個點的ACR值。 然后，根據(jù)記錄的時間可計算每一溫度下從空電量點到滿電量點的時間，以及從轉(zhuǎn)折點到滿電量點的時間，如表5所示。評估軟件的電量計算法只為3個溫度點的充電數(shù)據(jù)分配了足夠的EEPROM，因此選擇將0°C、20°C及40°C的數(shù)據(jù)寫入器件。

表4. 各個溫度下待機(jī)空電量點、轉(zhuǎn)折點及滿電量點發(fā)生的時間

Temperature

0

20

40

Time Stamp

ACR

Time Stamp

ACR

Time Stamp

ACR

Standby Empty

2:01:00 AM

100.5

1:44:11 PM

80.69

1:13:26 AM

62.38

Break

3:16:05 AM

919.06

2:45:07 PM

929.95

2:12:41 AM

927.97

Full

4:00:59 AM

1019.06

3:18:54 PM

1031

2:41:34 AM

1032.7

表5. 估算各個點的充電剩余時間

Temperature

0

20

40

Empty to Full (minutes)

120

95

88

Break to Full (minutes)

45

34

29

Break Point (mAhrs)

100

將數(shù)據(jù)寫入器件并啟動電量計量

11. 將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入器件
將表3和表5中的數(shù)據(jù)通過評估板寫入器件。將數(shù)據(jù)手動輸入到Pack Info標(biāo)簽中Fuel Gauging Data子標(biāo)簽的文本框，如圖3所示， 并點擊Write按鈕(圖中未顯示)。 數(shù)據(jù)將被寫入器件的暫存器，并隨后被復(fù)制到EEPROM。

圖3. 把電量計所需的數(shù)據(jù)導(dǎo)入評估軟件

12. 同步ACR
準(zhǔn)確測量Li+電池電量的最后一步是實現(xiàn)器件的ACR值與電池電量的同步。完成該程的簡單方法是，根據(jù)實際的充電特性曲線對Li+電池充分充電，然后將該溫度的ACR設(shè)置為滿電量點。用評估軟件實現(xiàn)時，先點擊Fuel Gauging標(biāo)簽上的Start Fuel Gauging按鈕啟動電量計量，如圖4所示。充電完成后，點擊Fuel Gauging標(biāo)簽中的Full按鈕，即實現(xiàn)ACR與電池電量的同步。

圖4. 評估軟件的Fuel guging標(biāo)簽

有關(guān)電量計數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請參見應(yīng)用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor

總結(jié)

當(dāng)對Li+進(jìn)行電池充放電時，Dallas Semiconductor電量計算法可以準(zhǔn)確跟蹤電池電量。這需要了解電池電量特性的相關(guān)信息，以及實際應(yīng)用中電池在各種負(fù)載和溫度條件之下所表現(xiàn)的特性。只要使用Dallas Semiconductor所提供的評估軟件測量并記錄電池的特性數(shù)據(jù)，就可用電量計準(zhǔn)確地估算電池的剩余電量。