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电池电量计的原理与计算

更新日期:2008-01-14  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:今日电子/21IC  作者:Maxim公司 陈祝清


充电电池简介
目前大量应用的充电电池包括铅酸蓄电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/锂聚合物电池。这几种电池的特性如表1所示。



铅酸蓄电池容量大,内阻低(一般400Ah的2V蓄电池内阻大约为0.5mΩ),可进行大电流放电,但是笨重且体积庞大、不便于携带,常用在汽车和工业场合。其电极材料含铅,可对环境造成极大污染。铅酸蓄电池对充电控制的要求不高,可以进行浮充。



镍镉电池容量较大,内阻低、放电电压平稳,适合作为直流电源。与其他种类的电池相比,镍镉电池耐过充电和过放电,操作简单方便,但是具有记忆效应,应尽量在完全放电之后进行充电。电极材料含有剧毒重金属镉,随着环保要求的提高,其市场份额越来越小。




镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展而来的,采用金属化氢替代有毒的镉,在大部分场合可以替代镍镉电池。其容量约为镍镉电池的1.5~2倍,且没有记忆效应。相对于镍氢电池,它对充电控制的要求较高,目前大量使用在一些便携电子产品中。



锂离子电池是目前最常见的二次锂电池,拥有高能量密度,与高容量镍镉/镍氢电池相比,其能量密度为前者的  1.5~2倍。其平均使用电压为3.6V,是镍镉电池、镍氢电池的3倍。它的内阻较大,不能进行大电流充放电,并且需要精确的充放电控制,以防止电池损坏并达到最佳使用性能。锂离子电池广泛使用在各种便携电子产品中,包括手机、笔记本电脑、mp3等。



锂聚合物电池是一种新型的二次锂电池,具有更大的容量;内阻较低,允许10C充放电电流。它和锂离子电池一样需要精确的充放电控制。目前,锂聚合物电池主要用于一些需要大电流充放电的应用中,如动力/模型汽车等。


 


充电电池容量估算方法
在多数便携应用中,都需要随时了解电池剩余容量以估算电池使用时间。



图1 简化的电池电量计框图



最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间有一个确定的关系,测量电池端电压即可估算其剩余容量。这种方法的局限是:1)对于不同厂商生产的电池,其开路电压与容量之间的关系各不相同。2)只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果,但是大多数应用都需要在运行中了解电池的剩余容量,此时负载电流在内阻上产生的压降将会影响开路电压测量精度。而电池内阻的离散性很大,且随着电池老化这种离散性将变得更大,因此要补偿该压降带来的误差将十分困难。综上所述,通过开路电压来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度,只能提供一个大致的参考值。



另一种大量应用的方法是通过测量流入/流出电池的净电荷来估算电池剩余容量。这种方法对流入/流出电池的总电流进行积分,得到的净电荷数即为剩余容量。电池容量可以预置,也可在后续的完整充电周期中进行学习。在补偿电池自放电、不同温度下的容量变化等因素后,这种方法可以获得令人满意的精度,因此广泛运用于笔记本电脑等高端应用中。



  
电池电量计工作原理
电池电量计对流入/流出电池的总电流持续进行积分,并将积分得到的净电荷数作为剩余容量。



简化的电池电量计如图1所示。其中,RSNS为mΩ级检流电阻,RL为负载电阻。电池通过开关、RSNS对RL放电时的电流IO在RSNS两端产生的压降为VS(t)=IO(t)×RSNS。电量计持续检测RSNS两端的压差VS,并将其通过ADC转换为N位的数字量Current(简称CR),之后以时基确定的速率进行累加,M位累加结果Accumulated_Current(简称ACR)的单位为Vh(伏时)。对量化后的VS进行累加相当于对其进行积分,结果为。



电池电量 。因此,将ACR值除以检流电阻RSNS的阻值即得到以Ah(安时)为单位的电池容量。ADC转换结果和累加后的结果都带有符号位,按照图1中的连接方式,充电时CR为正,ACR递增;放电时CR为负,ACR递减。外部微控制器可以读取CR和ACR值,经过换算得到真实的充放电电流和电量值。



实际的电量计还包括一些控制和接口逻辑,通常还能检测电池电压和温度等参数。一些智能电量计可以自动完成电池自放电的修正,还可保存电池特性曲线,允许用户定制电池电量计算法。




  
电池电量计的计算
通常,在电量计数据资料中CR的单位为mV,ACR的单位为mVh。



根据前文的说明,CR值为取样电阻两端的电压值,典型的12bit CR如表2所示。



其中,S为符号位,20为LSB。如果CR的满偏值为F,则其LSB的计算公式如下:
               (1)



若CR的读数为M,取样电阻为值RSNS,则实际的电流值为:
             (2)



电流方向由S位确定。若满偏值F为±64mV,则LSB为±15.625μV;RSNS为10mΩ时最大电流为±6.4A。若M为768,则实际电流为
ACR为取样电阻两端电压的累积值,典型的16bit ACR如表3所示。



其中,S为符号位,20为LSB。如果ACR的满偏值为F,则LSB的计算公式如下:
               (3)



净电荷量由S位确定。若满偏值F为±204.84mVh,则LSB为±6.25μVh;RSNS为10mΩ时最大电量为±20.48Ah。若M为7680,则实际电量为


结语
本文在介绍了电池电量计的原理之后,给出了一些简单的计算公式。设计者可以方便的从电量计读数中计算出真实电量,从而加快设计过程。



 

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