高精度 60V 电池电量监测 (上)

作者
Boris Wang
文章来源
Cytech Engineer

高精度 60V 电池电量监测 (上)

《高精度 60V 电池电量监测》系列专辑由两篇文章构成,围绕电池电量监测,主要介绍了 ADI LTC2944 高至 60V 精准库仑计方案,助力打造高性能电池监测系统。

本文《高精度 60V 的精密电池电量监测 (上) 》分享了电池设备的普及性、准确电量监测的重要性以及电量测量的原理。在下一篇《高精度 60V 电池电量监测 (下) 》一文中,将对 LTC2944 的内部结构、工作原理以及具体的库仑计方案进行深入解析。

电池设备的普及应用

从手机电脑、电动自行车、电动工具,再到新能源汽车、医疗仪器、工业设备,电池已经成为越来越多电子产品的标配部件。尤其是轻便的锂离子电池的诞生,让所有设备脱离电源线成为了可能。这些设备可以显示当前的剩余电量或运行时间,这是产品使用中最重要的用户体验之一。

随着时间的推移,我们能够明显感受到,电池始终是会越来越不耐用的。有时候,这会形成一种 “续航焦虑”,例如,虽然设备显示剩余 “10%” 的电量,然而它可能在下一秒就立刻关机了。在很多高功率多电池的设备中,如果用户没有足够及时发现电池电量耗尽,就可能会出现十分危急或严重的后果,例如临床医疗仪器的突然断电会危及病人生命、工厂仪器的突然宕机会造成产线紧急关停。

如下图 (图1) 所示,为某型号锂离子电池的循环寿命与放电深度的关系,可以明显看到,充放电越深度,电池可使用的寿命越短。在日常的产品设计中,我们很难去约束客户的充放电习惯,因此电池寿命往往是不可提前预测的,必须通过行而有效的电气测量手段测量。

图1 锂电池的循环寿命与放电深度关系
图1 锂电池的循环寿命与放电深度关系

如何精准地测量电池剩余电量、预测电池真实续航能力,是电子工程界一直致力解决的技术问题。由于电池是一种不稳定的电化学系统,对它的准确电参数采集就至关重要,实现电量监测功能显然需要精密且专用的模拟电路方案。

高集成化电量监测

除了充电、保护和电池平衡电路外,电池电量测量也是智能多电池系统中常见的功能之一。无论是什么样的电池供电设备,涉及电池的电路系统都面临着一系列独特的设计挑战,因为电池的电气性质总是在变化。例如,电池的最大容量 (也称为健康状态或 SOH) 和自放电速率总是随着时间的推移而降低,而充电和放电速率也会随着温度的变化而变化。精心设计的电池系统可以不断地动态处理这些参数变化,以便为使用者提供一致且准确的电池性能变现参数。对应到实际体验中,我们就可以准确输出一些指标,让产品更具 “高级感”,包括:

  • 当前剩余充电时间
  • 当前系统续航时间
  • 预期电池寿命 (或剩余充电次数) 

从目前电子行业的主流技术来看,准确的电池电量测量功能,需要一个精准的电池库仑计 IC 和相关的电池专用模型,最终系统是需要形成一个关键参数——荷电状态 (SOC)。SOC 是指电池使用一段时间或长期搁置不用后,剩余容量与其全新且完全充电状态时的容量的比值,它的取值在 0 至 1 之间。我们可以简单地理解为,SOC 是当前电池容量占最大容量的百分比。虽然市面上有一些电量计 IC 集成了电池模型和算法,甚至直接输出 SOC 的值,但仔细分析就会发现,这些 IC 往往会以牺牲准确性为代价,以简化 SOC 的估计算法。

如下图 (图2) 所示为 ADI 的一款型号 LTC2944 的库仑计,它可以支持到最高 60V 的电池电压,它提供的是最基本的精准库仑计方案,再由用户根据实际使用的电池模型进行电量估计运算,实现电量计功能。这是一种严谨的技术提供方式,将不确定因素开放给用户,以更自由地使用器件,兼容更多高精确度应用,下篇文章中将进行进一步探讨。

图2 LTC2944 60V库仑计方案
图2 LTC2944 60V库仑计方案

电量测量的原理

目前的研究表明,精确的库仑计数、电压、电流和温度是准确估计 SOC 的先决条件,迄今为止,行业内能够做到的 SOC 估计误差最小为 5%。如下图 (图3) 所示是各种电池的典型充放电曲线,在传统的电压型电量估计方法中,最困难之处就在平坦充放电区间的电量估计,因为这时电池电量的变化只会带来很小电压变化,于是会出现系统在很长一段时间内报告 75% 的 SOC,然后却突然下降到 15% 的 SOC。

库伦计数的方式,能够很精确地确定当前电池处于曲线哪个位置,尤其是平坦区的位置。具体的方法是:

  • 当电池充满电时,用户将库仑计数器初始化为已知的电池容量。
  • 在释放库仑时递减计数或在充电库仑时递增计数 (能适应只充一部分电的情况)。

这种方案最大的优势在于,这种电量计算方式不需要知道电池的化学成分。由于 ADI LTC2944 集成了库仑计数器,因此这款 IC 可以轻松地用于多种电池设备,与电池的化学性质无关。

图3 各种类型电池的典型充放电曲线
图3 各种类型电池的典型充放电曲线

在电路系统得到库伦计数数据之后,软件算法上,要根据电池模型进行数学换算,以确定 SOC 的值,如下图 (图4) 所示的是一种经典的电池模型,涉及到串联并联的多个参数,实际上,这里还没有考虑比较重要的温度参数影响。模型分析与换算的方法是专业领域知识,在此不进行赘述,但可以确定的是,这个模型最基本要获知的就是电压、电流以及库仑计数的参数数据。若您对此技术感兴趣,希望进一步了解和讨论,可以联系澳门人巴黎人1797的技术人员。

图4 经典的电池模型
图4 经典的电池模型

本文提到的 LTC2944 能够以行业内最高精度的水平,提供这些数据,作为用户进一步算法的支撑,那么 LTC2944 的工作原理是什么?又如何保证高精度?这些内容将会在下篇文章《高至 60V 的精密电池电量监测(下)》中详细论述。

总结

电池已经无处不在,而设计出优秀使用体验感的电池系统是非常有挑战的工作。从电池真实剩余容量角度出发,目前电子行业内最准确的检测方法是基于库仑计原理,这涉及到多种参数的采集和专业的模型换算,然而,这一切的基础是提供精准的电压电流、工作温度、库仑计数参数。本文提出的 LTC2944 的高性能方案,能够实现这些基础参数,为用户打造高性能电池监测系统奠定坚实基础。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案,您可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。

 

参考资料

LTC2944 产品页面

 

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《高精度 60V 电池电量监测 (下) 》

 

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