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電池設備的普及性及其準確電量監(jiān)測的重要性分享

駿龍電子 ? 來源:駿龍電子 ? 2023-04-03 16:28 ? 次閱讀

電池設備的普及應用

手機電腦、電動自行車、電動工具,再到新能源汽車、醫(yī)療儀器、工業(yè)設備,電池已經成為越來越多電子產品的標配部件。尤其是輕便的鋰離子電池的誕生,讓所有設備脫離電源線成為了可能。這些設備可以顯示當前的剩余電量或運行時間,這是產品使用中最重要的用戶體驗之一。

隨著時間的推移,我們能夠明顯感受到,電池始終是會越來越不耐用的。有時候,這會形成一種 “續(xù)航焦慮”,例如,雖然設備顯示剩余 “10%” 的電量,然而它可能在下一秒就立刻關機了。在很多高功率多電池的設備中,如果用戶沒有足夠及時發(fā)現電池電量耗盡,就可能會出現十分危急或嚴重的后果,例如臨床醫(yī)療儀器的突然斷電會危及病人生命、工廠儀器的突然宕機會造成產線緊急關停。

如下圖 (圖1) 所示,為某型號鋰離子電池的循環(huán)壽命與放電深度的關系,可以明顯看到,充放電約深度,電池可使用的壽命越短。在日常的產品設計中,我們很難去約束客戶的充放電習慣,因此電池壽命往往是不可提前預測的,必須通過行而有效的電氣測量手段測量。

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圖1 鋰電池的循環(huán)壽命與放電深度關系

如何精準地測量電池剩余電量、預測電池真實續(xù)航能力,是電子工程界一直致力解決的技術問題。由于電池是一種不穩(wěn)定的電化學系統,對它的準確電參數采集就至關重要,實現電量監(jiān)測功能顯然需要精密且專用的模擬電路方案。

高集成化電量監(jiān)測

除了充電、保護和電池平衡電路外,電池電量測量也是智能多電池系統中常見的功能之一。無論是什么樣的電池供電設備,涉及電池的電路系統都面臨著一系列獨特的設計挑戰(zhàn),因為電池的電氣性質總是在變化。例如,電池的最大容量 (也稱為健康狀態(tài)或 SOH) 和自放電速率總是隨著時間的推移而降低,而充電和放電速率也會隨著溫度的變化而變化。精心設計的電池系統可以不斷地動態(tài)處理這些參數變化,以便為使用者提供一致且準確的電池性能變現參數。對應到實際體驗中,我們就可以準確輸出一些指標,讓產品更具 “高級感”,包括:

當前剩余充電時間

當前系統續(xù)航時間

預期電池壽命 (或剩余充電次數)

從目前電子行業(yè)的主流技術來看,準確的電池電量測量功能,需要一個精準的電池庫侖計 IC 和相關的電池專用模型,最終系統是需要形成一個關鍵參數——荷電狀態(tài) (SOC)。SOC 是指電池使用一段時間或長期擱置不用后,剩余容量與其全新且完全充電狀態(tài)時的容量的比值,它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為,SOC 是當前電池容量占最大容量的百分比。雖然市面上有一些電量計 IC 集成了電池模型和算法,甚至直接輸出 SOC 的值,但仔細分析就會發(fā)現,這些 IC 往往會以犧牲準確性為代價,以簡化 SOC 的估計算法。

如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號 LTC2944 的庫侖計,它可以支持到最高 60V 的電池電壓,它提供的是最基本的精準庫侖計方案,再由用戶根據實際使用的電池模型進行電量估計運算,實現電量計功能。這是一種嚴謹的技術提供方式,將不確定因素開放給用戶,以更自由地使用器件,兼容更多高精確度應用,下篇文章中將進行進一步探討。

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圖2LTC2944 60V庫侖計方案

電量測量的原理

目前的研究表明,精確的庫侖計數、電壓、電流和溫度是準確估計 SOC 的先決條件,迄今為止,行業(yè)內能夠做到的 SOC 估計誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所示是各種電池的典型充放電曲線,在傳統的電壓型電量估計方法中,最困難之處就在平坦充放電區(qū)間的電量估計,因為這時電池電量的變化只會帶來很小電壓變化,于是會出現系統在很長一段時間內報告 75% 的 SOC,然后卻突然下降到 15% 的 SOC。

庫倫計數的方式,能夠很精確地確定當前電池處于曲線哪個位置,尤其是平坦區(qū)的位置。具體的方法是:

當電池充滿電時,用戶將庫侖計數器初始化為已知的電池容量。

在釋放庫侖時遞減計數或在充電庫侖時遞增計數 (能適應只充一部分電的情況)。

這種方案最大的優(yōu)勢在于,這種電量計算方式不需要知道電池的化學成分。由于 ADI LTC2944 集成了庫侖計數器,因此這款 IC 可以輕松地用于多種電池設備,與電池的化學性質無關。

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圖3 各種類型電池的典型充放電曲線

在電路系統得到庫倫計數數據之后,軟件算法上,要根據電池模型進行數學換算,以確定 SOC 的值,如下圖 (圖4) 所示的是一種經典的電池模型,涉及到串聯并聯的多個參數,實際上,這里還沒有考慮比較重要的溫度參數影響。模型分析與換算的方法是專業(yè)領域知識,在此不進行贅述,但可以確定的是,這個模型最基本要獲知的就是電壓、電流以及庫侖計數的參數數據。若您對此技術感興趣,希望進一步了解和討論,可以聯系駿龍科技的技術人員。

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圖4經典的電池模型

本文提到的 LTC2944 能夠以行業(yè)內最高精度的水平,提供這些數據,作為用戶進一步算法的支撐,那么 LTC2944 的工作原理是什么?又如何保證高精度?這些內容將會在下篇文章《高至 60V 的精密電池電量監(jiān)測(下)》中詳細論述。

總結

電池已經無處不在,而設計出優(yōu)秀使用體驗感的電池系統是非常有挑戰(zhàn)的工作。從電池真實剩余容量角度出發(fā),目前電子行業(yè)內最準確的檢測方法是基于庫侖計原理,這涉及到多種參數的采集和專業(yè)的模型換算,然而,這一切的基礎是提供精準的電壓電流、工作溫度、庫侖計數參數。本文提出的 LTC2944 的高性能方案,能夠實現這些基礎參數,為用戶打造高性能電池監(jiān)測系統奠定堅實基礎。





審核編輯:劉清

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原文標題:高精度 60V 電池電量監(jiān)測 (上)

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