電池電量計確定二次電池中剩余的電量以及電池可以繼續供電多長時間（在特定工作條件下）。本應用筆記討論了測量鋰離子電池剩余電量時面臨的挑戰，以及實現電量計以應對這些挑戰的不同方法。

介紹

自移動電話問世以來，可充電電池及其相關的電量計指示器已成為我們信息和通信社會的一個組成部分。它們現在對我們來說與過去100年來的汽車燃油表一樣重要。然而，雖然司機不能容忍不準確的燃油表，但手機用戶往往要忍受高度不準確、低分辨率的指示器。本文討論了準確測量充電水平的各種障礙，并介紹了設計人員如何在電池供電應用中實現精確的電量計。

鋰離子電池

鋰離子電池從1997年左右開始量產，在開發過程中解決了各種技術問題。由于它們在體積和重量方面具有最高的能量密度（圖 1），因此可用于從手機到電動汽車的各種系統。

圖1.各種電池類型的能量密度。

鋰電池還具有特定特性，這對于確定其充電水平很重要。鋰電池組必須包括各種安全機制，以防止電池過度充電、深度放電或反向連接。由于高活性鋰會造成爆炸危險，因此鋰電池不得暴露在高溫下。

鋰離子電池的陽極由石墨化合物制成，陰極由金屬氧化物制成，添加鋰的方式最大限度地減少晶格結構的破壞。這個過程稱為插層。由于鋰與水反應強烈，因此鋰電池由有機鋰鹽的非液體電解質構成。給鋰電池充電時，鋰原子在陰極中電離并通過電解質輸送到陽極。

電池容量

電池最重要的特性（除了其電壓）是其容量（C），以mA小時為單位，定義為電池可以提供的最大電量。容量由制造商針對一組特定條件指定，但在制造電池后會不斷變化。

圖2.溫度對電池容量的影響。

如圖2所示，容量與電池溫度成正比。上圖曲線顯示了鋰離子電池在不同溫度下以恒定 I、恒定 V 過程充電。請注意，電池在高溫下比在 -20°C 下多消耗大約 20% 的電量。

如圖2中的下部曲線所示，溫度對電池放電時的可用電量的影響更大。該圖顯示了充滿電的電池在兩種不同的電流下放電至2.5V的截止點。兩條曲線都顯示出對溫度和放電電流的強烈依賴性。在給定的溫度和放電速率下，鋰電池的容量由上下曲線之間的差異給出。因此，鋰電池容量在低溫下或大放電電流或兩者兼而有之時大大降低。在高電流和低溫下放電后，電池仍然具有顯著的殘余電荷，然后可以在相同溫度下以低電流放電。

自放電

電池通過不必要的化學反應以及電解質中的雜質失去電荷。常見電池類型在室溫下的典型自放電率如表1所示。

化學反應是熱驅動的，因此自放電與溫度高度相關（圖3）。可以使用漏電流的并聯電阻對不同電池類型的自放電進行建模。

圖3.鋰離子電池的自放電。

老化

電池容量隨著充電和放電循環次數的增加而下降（圖 4）。這種下降通過術語“使用壽命”來量化，“使用壽命”定義為電池在其容量降至初始值的80%之前可以提供的充電/放電循環次數。典型鋰電池的使用壽命在 300 到 500 次充電/放電循環之間。

鋰電池還遭受與時間相關的老化，這導致其容量從電池出廠的那一刻起下降，無論使用情況如何。這種效應會導致充滿電的鋰離子電池在 20°C 時每年損失 25% 的容量，在 35°C 時損失 40% 的容量。 對于部分充電的電池，老化過程更為緩慢：對于殘余電量為 40% 的電池，在 4°C 下每年損失約為其容量的 25%。

圖4.電池老化。

放電曲線

電池的特性放電曲線在其數據表中針對特定條件進行了指定。影響電池電壓的一個因素是負載電流（圖 5）。不幸的是，負載電流無法在模型中通過簡單的源電阻進行仿真，因為該電阻取決于其他參數，例如電池的年齡和充電水平。

圖5.電池放電曲線。

與原電池相比，二次鋰電池表現出相對平坦的放電曲線。系統開發人員喜歡這種行為，因為可用電壓相對恒定。但是，逐漸放電使電池電壓與電池的剩余電量水平無關。

精確測量電荷水平

為了確定電池中的可用電量，首選簡單的監測方法。它們應該消耗很少的能量，并且應該（理想情況下）允許人們從電池電壓推斷出充電水平。然而，這種僅電壓方法會產生不可靠的結果，因為電壓和可用電荷之間沒有明確的相關性（圖5）。電池電壓也取決于溫度，動態松弛效應會導致負載電流減小后端電壓緩慢增加。因此，純粹基于電壓的監控不太可能提供優于25%的充電水平精度。

相對充電水平，通常稱為充電狀態 （SOC），定義為剩余電荷與電池充電容量的比率。因此，必須通過稱為“庫侖計數”的程序來測量和監測電荷流。在實踐中，庫侖計數是通過對流入和流出電池的電流進行積分來實現的。為了使用高分辨率ADC測量這些電流，通常將一個小電阻與陽極串聯。

電量計學習

電池SOC與上述參數之間的功能關系無法通過分析相關，因此必須根據經驗確定電池容量和電荷。沒有廣泛的分析模型可用于計算（具有足夠精度）電池在實際工作條件下的容量，例如溫度，充電循環次數，電流，年齡等。理論模型僅適用于某些“局部”條件。為了確定相對電荷水平，它們在本地應用并在全球范圍內進行校準。

為了在使用電池時達到足夠的精度，必須通過稱為電量計“學習”的過程不斷校準模型參數。結合庫侖計數，這種方法產生的電量計精確到百分之幾以內。

電量計選擇

現代集成電路可以確定所有類型的二次電池、電池配置和應用的 SOC。盡管電源電流較低（活動模式下約為60μA，睡眠模式下約為1μA），但這些IC仍能實現高精度。電量計 IC 分為三類（表 2）。由于鋰基電池是許多應用的首選，因此所示示例基于鋰離子和鋰聚合物電池。

庫侖計數器，有時稱為電池監視器，是測量、計數和轉換上述電池參數的 IC，包括電荷、溫度、電壓、負載周期和時間。由于庫侖計數器不處理測量的變量，因此它們不是智能的。DS2762就是這樣一種器件，它已經包括一個集成的高精度25mΩ電阻，用于測量電流。該器件可監控溫度、電池電壓和電流，并具有1-Wire?總線，允許駐留在電池組或主機系統中的微控制器讀取所有讀數。它還提供了二次鋰電池所必需的安全電路。其結果是一個靈活、經濟高效的系統，需要大量的知識和開發工作（盡管成本被IC供應商提供的軟件、模型和支持所抵消）。

庫侖計數器的另一種方法是燃油表。這些一體化設備使用學習算法執行電量計程序，并自行執行所有必要的測量。電量計通常部署在稱為智能電池的智能自主電池中。由于集成電量計的開發工作量要少得多，因此這種方法非常適合需要快速上市的應用。DS2780就是這樣一種電量計，允許主機使用1-Wire總線讀取SOC。

另一種選擇是可編程電量計，其中包括具有相當靈活性的集成微控制器。例如，MAX1781包括集成RISC內核、EEPROM和RAM。該器件使開發人員能夠根據需要實現電池模型、電量計例程和測量。集成 LED 驅動器支持簡單而準確的 SOC 指示。

總結

可充電電池的電量計量是一項復雜的任務，因為影響電池容量的許多相互依賴的參數。因此，簡單的測量方法可提供不準確的結果，而這些結果僅適用于非關鍵應用。然而，通過使用現成的電量計IC，可以實現高精度和可靠的電量計。

審核編輯：郭婷