由于產品的運行時間受到電池容量的限制，因此必須有一種精確的方法來測量剩余電池容量，以避免意外關機。本應用筆記描述了一個在狗追蹤項目中獲得準確電池容量讀數的實驗。

介紹

我的狗摩卡經常喜歡在徒步旅行時跑在我前面進行一些越野探索。她總能找到我 后來，但有時在我開始尋找她很久之后，所以我想找到一種方法來輕松跟蹤她的位置。Adafruit是一家總部位于紐約的開源硬件 該公司還為想要嘗試或了解有關電子產品的更多信息的人們提供了許多資源。這 該公司的GPS記錄狗背帶項目涉及使用Adafruit的可縫制微控制器平臺FLORA和 GPS模塊跟蹤狗的位置。我認為這將是監控我的狗在遠足時活動的好方法，所以我 與我的同事穆罕默德·伊斯梅爾（Mohamed Ismail）一起承擔了可穿戴狗跟蹤系統項目。

對于我們的原型，除了FLORA和GPS模塊外，我們還集成了MAX1472 ISM發送器來廣播GPS。 坐標，以及四個FLORA RGB智能NeoPixel LED，使摩卡在夜間徒步旅行中更加明顯。這些新像素 還用于指示電池中的剩余電量，以便我們知道何時在系統關閉之前獲得皮帶 下。我們使用綠色表示 50% 或更多的電荷，黃色表示 50% 到 25% 之間的電荷，紅色表示 表示 25% 或更低的費用。

在我們最初的迭代中，幾乎所有東西都完美地工作 - 我們能夠獲得GPS坐標，閃爍不同的 新像素顏色，以及與ISM發射器的廣播坐標。我們監測電池狀態的方法 但是，收費 （SOC） 沒有按預期工作。為了估計 SOC，我們使用了基于 在項目運行時測量電池電壓。我們發現 NeoPixel 在總數的 25% 中不是紅色的 運行時，但僅適用于 9%。我們決定研究確定電池SOC的不同方法，以便我們可以 確定最準確的方法。

分壓器還是電量計IC？

確定電池電量的一種簡單方法是測量電池兩端的電壓。在阿達果植物區系 平臺上，分壓器（圖3）連接到板載微控制器的ADC輸入。然后，用戶可以 獲取ADC讀數并計算其端子處的電池電壓。端電壓用于估計 電池的剩余電量，基于電池的特性和系統的關斷電壓。

圖3.分壓器用于確定 Adafruit FLORA 上的電池電量。

使用分壓器計算SOC的一個主要缺點是它經常產生不一致的讀數。電池的 端電壓取決于 SOC 以及負載電流、溫度和年齡。這三者的任何變化 參數可能導致結果不準確。如果負載電流發生變化或電池溫度偏離，則估算 基于簡單電阻分壓器的電池SOC不會那么精確。我們最初的設計具有恒定的脈沖負載 并且用于室外操作，導致電池壽命指示器非常具有誤導性。

使用電量計IC是分壓器方法的替代方法。燃油計量方法非常復雜， 因此，更昂貴;但是，它們可以非常準確。電阻分壓器上的總電阻 FLORA為160kΩ，因此連接到Li+電池時消耗~23μA。我們不想更換電阻分壓器 由于功耗更高，因此我們選擇了僅使用7μA電流的電量計IC。Maxim的MAX17055使用該公司名為ModelGauge? m5的電量計算法，該算法結合了 兩種最常見的電量計方法——庫侖計數和開路電壓測量——報告電池的 SOC，誤差僅為 1%。另一個 ModelGauge m5 技術的創新之處在于它包括一個 EZ 配置功能，消除了 需要電池表征，這是大多數電量計IC所需要的。

圖4.Maxim的MAX17055電量計IC采用ModelGauge m5技術確定電池電量。

比較測試

我們進行了一系列測試，將FLORA上的原始分壓器與Maxim的MAX17055電量計IC進行比較。 測量電阻分壓器后，用MAX17055替換元件。要保持一致性，請保持 測試結果，我們使用一個150mAhr電池進行所有測試。首先，我們通過放電 具有恒定負載的電池，觀察分壓器和電量計的結果。接下來，我們使用了 更真實，脈沖負載對電池放電，并觀察分壓器和電量計的精度。

使用電阻分壓器的基線測試

FLORA 上分壓器的輸出只是幫助您確定電池的端電壓;因此 必須執行一些計算才能將電壓讀數轉換為易于理解的電荷百分比。第一 我們使用125mA的恒定負載使電池完全放電。在恒定時間報告電池電壓 間隔。圖5顯示了電池完全放電時五個放電周期的平均電池電壓。 然后，我們使用兩種不同的方法從電壓輸出端確定放電過程中電池的SOC。 分。

圖5.電池在恒流負載下放電時隨時間推移的平均電池電壓。

在我們的第一種方法中，我們將電池的電壓與剩余電量的一定百分比相關聯。150mAh電池 用于測試的最大充電電壓為4.2V，因此該電壓與100%充電相關。最小排放量 電池的電壓為3.0V，因此該電壓與0%充電相關。根據這兩個估計，我們使用了線性 將FLORA分壓器報告的電池單元電壓轉換為近似百分比的公式 剩余電量。這是我們的“線性”近似方法。雖然電池之間很容易形成關系 電池電壓和SOC，它不是很準確，因為如圖5所示，電池單元電壓不會降低 出院時呈線性。

下一種方法是通過測量電池的放電時間來基于消耗的電量。在恒定負載電流下， 通過的時間量與消耗的電荷量成正比（庫侖/秒×秒=庫侖），因此SOC （庫侖）。在這種情況下，100% 的電荷與首次將負載放置在 電池。0% 的電量與設備關機的時間相關。要使用此方法形成準確的模型， 我們平均發現了五次放電測試。從那里，我們為平均 SOC 創建了一條四階趨勢線。更高的 對于每個電池電壓樣本，階多項式將變得不切實際。這條趨勢線的等式是 用于將電池電壓與 SOC 相關聯。圖 6 中的實線表示平均 SOC 曲線，而虛線表示 表示趨勢線。這是我們的“多項式”近似方法;參見圖 6 的公式 趨勢線。

圖6.四階多項式，可用于將電池電壓近似為充電百分比 剩余。

使用MAX17055進行基線測試

最后，我們將這兩個近似值與Maxim的電量計IC MAX17055的輸出進行了比較。MAX17055輸出 許多結果，包括電池電壓、負載電流、年齡和溫度。它還使用 ModelGauge m5 算法來 近似于電池的 SOC。以恒定負載對電池放電會導致 SOC 線性降低 時間——這是我們希望看到的結果。圖7中的紫色圖顯示了電量計IC的讀數， 以及上述線性和多項式近似。

圖7.電池放電時基于分壓器的線性模型的恒定電流充電， 分壓器的多項式模型和電量計的 SOC 模型。

從圖 7 可以明顯看出，每個近似值都假設電池在不同時間充滿 50% 和充滿 25%。圖 8 顯示了電池放電時 NeoPixel 的顏色。在右側的條形圖中，您可以看到我們使用的每個模型的運行時間百分比與我們預期看到的所需結果的比較。線性模型的條形圖顯示，NeoPixel保持綠色，表示>電量為50%，即使電池電量接近25%！

圖8.左圖顯示了使用每個模型放電期間的 NeoPixel 顏色。右圖所示 以易于與所需結果比較的形式說明相同的數據。

在這種情況下，多項式模型和電量計都報告了相當準確的結果。然而，實際設計 沒有使用恒定負載電流。即使模型可以在恒流負載下工作，當切換到 更真實的脈沖負載。

三種電量計方法的脈沖負載測試

為了真正測試所有三種電量計方法的功能，我們必須使用真實的脈沖進行另一個實驗 放置在系統中的負載電流。負載在消耗125mA電流4分鐘和消耗60mA電流2分鐘之間交替 紀要。許多系統在待機電流和有功電流消耗之間的差異要大得多，這會加劇 此測試的結果。我們使用了與上述基線測試相同的三種方法——基于電壓的線性模型 分壓器、基于分壓器的多項式模型以及MAX17055報告的SOC。圖 9 顯示了結果 的脈沖負載測試。紫線是電量計隨時間推移報告的 SOC。藍線是近似值 使用線性模型從分壓器獲得SOC，而使用多項式模型近似綠線。

圖9.電池放電時基于分壓器的線性模型的恒定電流充電， 分壓器的多項式模型和電量計的 SOC 模型。

圖10a和圖10b提供了相同數據的視圖，每個視圖都顯示了放電期間NeoPixel的顏色。

圖 10.每個型號的 NeoPixel 在脈動負載下對電池放電時的顏色。

兩種方法都使用分壓器的結果來近似引入的剩余電池容量 輸出中的錯誤脈沖。這些結果顯然是不準確的，并產生令人困惑的結果，交替出現 在綠色和黃色之間，黃色和紅色之間。這證明了負載變化對端電壓的影響 電池。Maxim電量計中的復雜算法顯示了對負載效應的免疫力，并繼續 輸出與電池實際 SOC 相匹配的 SOC 線性下降。由于應用中的負載電流是恒定的 我們的研究結果只是強調了使用像MAX17055這樣的電量計IC的重要性。

結論

在使用便攜式電子設備時，消費者希望能夠信任剩余電池的準確性 負責。有一些簡單、廉價的方法來估計電池SOC，但它們的結果遠非準確。一個 方法類似于FLORA上描述和使用的分壓器報告隨負載變化很大的數據。這可以 讓我覺得我有足夠的電池容量再走 10 分鐘，只是讓我的狗的追蹤器關閉 在我找到她之前就下來了。更先進的電量計IC，如MAX17055，提供值得信賴的精度。我 實驗使我確信，電量計IC值得每一分錢。

審核編輯：郭婷