第二章傳統的電池電量監測方法

目標：充分利用可用的電池容量

電池電量監測的主要目的是為了最大程度的利用電池里面的容量，通常來講，電池里面的容量我們一般很難做得100%利用的，為什么呢？

這里存在2個因數，第1，在充電的時候，充電電壓很難正好是電池的滿充電壓，通常我們為了防止電池出現過沖狀態，這個充電電壓誤差是往下偏的，也就是說的電池，充電電壓有可能是或，這樣，如果在這個低充電電壓下進行充電，充進去的容量可能就會變小；另外，由于電池電量監測的不準確性，用戶為了安全，防止突然關鍵造成數據丟失，可能電量估計得會比較保守，也就是說電池真正的電量還沒到0%的時候，他就提前報成0%，讓系統提前關機，這樣至少可以避免用戶的數據丟失，當然用戶體驗上感覺電池的容量變小了，這是一個缺點，這樣做的后果也是導致電池的容量不能充分的發揮出來，電池電量監測技術是為了最大程度的提高對電池電量的監測，讓用戶能夠最大程度的使用當前電池里面的容量，這個藍色的這段實際上指的就是電池的有效容量，我們這個技術就是為了把實際的有效容量盡量的往上或者往下擴展。

2.2 傳統的電池包側電量監測計

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這是面向單節電池便攜式應用的傳統電池包方框圖。電量監測計位于電池包側，以連續監測電池工作情況并通過I2C或單線協議將剩余容量或運行時間信息提供給主機。然而，當電池循環壽命終止時，即使電量監測計仍然處于良好狀態我們也不得不扔掉電池包。我們被迫購買另一個帶電量監測計的電池包，從而增加了最終用戶的成本。我們能否將電量監測計置于主機側以盡量降低成本呢？

傳統的電池包電量監測技術是這樣一個框架結構的，電量監測的芯片一般來講是放在電池包里面的。還有就是控制MOS管的保護器，這個保護器是在電池過充或者過放的時候動作切換MOS對電池芯進行保護，一般電池包里面還會放一個熱敏電阻，用來監測電池包的溫度，那么除了左邊指的是手機或者平板電腦的系統板，在這塊系統板上跟電量計發生關系的主要是電源管理芯片和主機的處理器，主機的處理器通常是通過I2C或者單線的HDQ總線來讀取電量計里面的電量信息的。

在這個電量信息得知的情況下，來決定現在有多少時間到電池完全放完，有些用戶要做某些事情的時候可以提示用戶現在電量是否足夠，這是一個傳統的解決方案，就是說把電量計放在電池包里面的解決方案，TI在這方面主要的器件有BQ27541、BQ27545這2顆主要的芯片；BQ27441，這是比較低成本的方案；我們還有BQ27741，這把電量計和保護器做到一起的一個方案；BQ28z560，這個也是包電量計和保護器做到一起的一個方案。

系統側阻抗跟蹤電量監測計

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在這幅示意圖中，電量監測計位于主機側以盡量降低電池包成本。這樣，當電池包使用壽命結束時，我們就不必購買電池包中的另一套電子組件。

隨著技術的進步，或者說TI的阻抗跟蹤技術的推出，現在出現了這樣一種運用，把電量監測計放在設備的主板一側，電池這一側就只有一個保護器和MOS管，還有熱敏電阻，當然還有1個電芯在里面，這樣的話有什么好處呢？電池包的成本就大大的降低了，電池包的供應商也比較好找了，因為他把電量計從電池包里面搬到了主機側，所以這樣的方案現在都是可行的，TI同時提供對這2種方案的支持。還有BQ28z550，這個方案是把電量計放在便攜設備的系統板上，這樣電池包里面就不需要放電量計了，這樣就可以降低電池包的成本，使得供應商更容易找到，這種TI的電量計主要有BQ27510、BQ27520，BQ27441也是可以用在這個場合的，還有BQ27425、BQ27421……等等芯片。

電量監測計有哪些功能？

?電池與用戶之間的通信

?測量：

–電池電壓

–充電或放電電流

–溫度

?提供：

–電池運行時間和剩余容量

–電池健康狀況信息

–總體電池電源管理（工作模式）

電量監測計的主要功能是哪些呢？電量監測計首先要完成系統和電池之間的通訊，系統要知道電池有多少電量，需要跟電量計之間的總線通訊，剛才說了I2C和單線的HDQ總線通訊來得到，在通訊的過程當中，系統主要可以得到哪些信息呢？第1個是實測的模擬量信息，比如說電池的電壓、電池的充放電電流，還有電池的溫度。這些基本的模擬量信息作為一個電量計來講，它更重要的還要提供電池的容量信息，也就是剛才所說到的電池的剩余容量、電池的運行時間，還有電池的健康狀況的信息，還有一個就是這個芯片本身要能夠完成工作狀況的轉變，也就是說它要從正常工作模式，轉到低功耗模式，實現這種轉變，達到一個什么目的呢？達到一個節省電量的目的。

如何實現電量監測計

怎么實現電量監測呢？

第一種方法就是基于電壓的電量監測，電量百分比或容量百分比它把他看成是電池電壓的一個函數，這是從經驗上到得到的一個公式，當然這種函數本身的表達式不一定要得到，它只要得到一個開路電壓和容量百分比對應的表格就行了，這個表格各個點之間的數據可以用差補的方法得到。

還有一個方法就是庫侖計數，庫侖計數是對充進電池或者電池里面放出的電流進行積分所得到的一個能量。我們可以把電池看成我們汽車的油箱，這個油箱充進多少油，放出多少油，就可以算出里面剩多少油，這也是一種比較直觀的根據生活經驗得到的一種算法。

現在最新的算法是阻抗跟蹤算法，這個算法其實它是依據實時的對電池的內阻測量來得到電池的容量，它的公式就是圖中這個公式，剛才已經列舉過，也就是電池的端電壓V等于電池的開路電壓減去電流乘以電池的內阻，這個電流是指電池流進或者流出的一個總電流。

基于電壓的電量監測計

下面先介紹一下基于電壓的電量監測計，這張圖是一個電池的開路電壓曲線，這個方法的基本思路是對不同電壓我們用不同的格數來表示電池的容量，比如說在的時候用4格來表示，這是滿格的電池；的時候我可能用3格來表示電池的容量，用2格；可能就用1格來表示電池的容量，就是說用不同的格數來對應不同的電池電壓，來表示電池的容量，這種方法精度比較差，通常用在低端得最早期出現的那些蜂窩電話，或者早期出現的數碼相機里面。這種方法會有一個什么問題呢？

就是說在電流波動的時候這個會上下跳變，比如說我有一個放電電流的情況下，或者電流比較大的情況下，在放電的過程當中大家可以看在紅顏色的這個箭頭地方，如果電流在這一點突然減小，或者說我突然變成0了，這個電壓很顯然的就會往抬，電壓一般抬到這一點的話，它的格數就會變成2格，再往下的時候這變化就會更明顯，再往下的時候電池格數可能接近0格或者用紅顏色來表示這個電池的格數，這個時候的跳變就會由紅顏色變成2格，這個時候就會來回跳，如果電流變化的情況下，比如說，他剛才打電話打到這里停掉了，電池就剩2格，他以為還有電，然后突然又來一個電話，一下就變成0了，所以這種表示誤差會比較大，因為大家看到這里實際上是用4格來表示電池容量的，因為1格就對應了25%的容量，所以跳一格就有25%的容量差，跳2格就有50%的容量差，所以這種方法誤差比較大。誤差比較大的原因就是因為電池存在內阻，在電流比較大的情況下，它的格數跳變會比較多。

電池電阻

這個是電池開路電壓和端電壓的一個公式，剛才已經講過電池的內阻是溫度、電荷狀態和電池老化程度的一個函數；電池內阻在100次充放電之后會增加一倍；同一批電池的阻抗偏差可能會在10~15%；不同電池制造商或者質量比較差的制造商內阻偏差會更大。

阻抗與溫度和DOD有關

這里對容量計算影響最大的或者最難得到的一個信息就是I*Rbat，當然I是比較容易得到的，只要測定流進流出的電流就可以了，以現在的技術這個可以測到±1mA的精度。那么這個Rbat相對來講就比較難一點測定，因為它是要根據2個量計算得到的。

上圖主要是阻抗與溫度和容量百分比的關系，這個關系剛才已經講過了，基本上阻抗是隨溫度的降低而增加，隨著容量百分比的減少而增加，是這樣一個概念。

新電池的阻抗差異

這個是阻抗的偏差，這個是一個什么樣的概念呢？就是說我們通常來講，使用的阻抗對電量計量影響比較大的哪個阻抗指的是在低頻狀態下的阻抗，是在1mHZ下的阻抗，實際上就是直流阻抗，而不是通常我們用市場上看到的內阻測試儀測到的阻抗，那個阻抗是在1KHZ下測到的電池內阻，那個內阻通常來講看上去比較小。上面是已經介紹過的對容量計算精確度的影響的3個因數，是溫度、容量百分比和老化程度，這些會給容量的計算造成影響，這個影響是指用電壓來監測電量的方法的影響。除了這些因數的影響，如果用的是電壓監測的方法，那么還有一個影響也是不可忽略的，而且這個影響也比較難處理，這是很多電量管理的工程師頭痛的一個問題，就是電池有因為瞬態響應的問題。

電池-瞬態響應

大家從這2張圖可以看一下，電池在比較滿充的情況下放電，前面這條曲線是表示一個放電的過程，放到這個時候電壓比較低了，然后負載移除，這個時候電池的電壓并不是立刻回到電流為0的時候，因為大家想到負載移除電流就變0了，這個時候的電壓有沒有回到電流為0的電壓呢？沒有。它是慢慢的回上去的，它花了很長時間才回上去，大家看到這條曲線。大家平時的經驗也可以證明這一點，就是說平時一個電池放電之后，然后你把負載拿掉，它的電壓是在不斷的變化的，那么這個電壓變化穩定的過程要多長時間呢，大家看到這這一點大概是1600秒，基本上要穩定下來是到3500秒，大概有2000秒左右的時間，才能穩定下來，這個是電壓在到左右進行的放電，也就是說電池這個時候還沒有飽。根據剛才介紹的在電池比較飽的情況下，也就是在電池容量百分比比大的情況下，電池的內阻這個時候是比較小的，電池內阻比較小的情況下它恢復的還算快的。下面這張圖大家可以看到這邊的電壓是比較低了，從左右開始放電，放了一段時間后，這個時間也很短，因為鋰電池電壓比較低的情況下，稍微放一會電，接近到系統最低能夠接受的電壓，這個時候如果停止放電，這個電壓需要多長時間回上去呢，基本上要更長的時間，比如3000秒以上的時間才能夠把電壓穩定下來，所以在這段時間之內，它的電壓是不夠穩定的，但是沒有負載，電流是一直是0，這個時候你去讀電壓，電壓是一直變化的，對應的容量百分比到底是多少呢？這個時候就會產生誤差。

電壓弛豫和電荷狀態誤差

大家可以看到在20至3000秒之間電壓的差異可以超過20mV,那么20mV這個電壓值在計算容量的時候，它已經可以造成很大的容量偏差了，尤其在電壓放電的平坦區這個階段，它可以造成很大的容量偏差，所以電池的瞬態響應會對用電壓來監測的計量方法造成比較大的誤差。在這條曲線當中，這條曲線是把電池的放電曲線倒過來了，這個縱坐標變成了容量百分比，橫坐標是電池的電壓，這張圖表示的什么意思呢？就是說在這個階段其實是電池處于中間階段，如果把這個平臺拉長一點，你就可以看到在這段的時候電壓變化是比較緩慢的，容量變化就是比較大，也就是說在這段你是用電壓來監測容量的，那么這個電壓稍微有一點點誤差就會造成容量上面很大的誤差。右邊這張圖指的是在不同的電壓下面對應容量的誤差，大家可以看到，在電壓的中間點，也就是放電曲線的電壓平坦，也就是到左右，這段時間對應的誤差是最大的，這段時間對應的誤差可以到15%，這就是電壓方法來計算容量造成的誤差。所以基于電壓監測計量的誤差主要是有這幾方面造成的，1個是弛豫誤差，就是剛上說的電池在負載移除之后電壓的恢復時間，這里的一個典型值是20mV的弛豫測量誤差，實際的誤差會比這個弛豫誤差遠遠要大，大家可以在電池放空之后看一下，放空剛結束的時候到電壓穩定下來，它們的電壓誤差其實是很大的。還有就是15%的電池間的電阻誤差，剛才說過，同一個供應商生產的同一批電池如果他的工藝過程控制得比較好的情況下，這些電池的內阻偏差可能會有15%，這還是比較好的情況，那如果不同的供應商，或者供應商過程控制比較差的情況下，這個電池間的電阻誤差會更大。在左邊這張圖上我們就可以看到紅色的指的是由于電池的瞬態效應造成的弛豫誤差，上面淺藍色的這格曲線是電池個體阻抗之間的偏差造成的誤差，這2個綜合起來總的偏差大概可以到15%左右，這個是對新電池的15%，還是在電流控制得比較好的情況下得到的一個測試結果。

基于電壓之電量監測的SOC誤差

造成電壓補償誤差的因素有以下幾個：

–瞬態誤差

–15% 的電池間阻抗偏差

–測量誤差

對于新電池而言，總體誤差處于可接受的范圍之內，但隨著老化很快就將超出可接受的范圍（右側圖片）

大家知道對于電池的容量計算還有一個比較大的影響因數就是電池的使用年限，在這張圖上面，在不同使用年限下測得的誤差，紅色的表示的是第1次或者第0次得到的周期得到的誤差曲線，這個曲線就是我們這張圖標的15%左右的，最后標在這里的就是15%，那么100次之后大家知道阻抗其實增加了1倍，剛才那張圖大家也可以看到，在100次循環之后電池的內阻增加了1倍，按照這個規律繼續上去誤差會越來越大，阻抗的誤差對容量造成的誤差也相應的越來越大，所以基本上在300個周期之后，在容量比較低的情況下造成的誤差就會很大，75%或者更多一點，所以基于電壓測量的電量計算技術只能夠用于那些要求不高的場合，它的誤差比較大，通常在早期的diqital camera里面的電池是用這種方法來計算它的容量的，那么對這個容量計算造成影響最大的就是電池的內阻，造成電池內阻變化比較大的原因就是電池制作上的工藝造成電池內阻的偏差，另外一個就是電池使用時間的延遲造成電池的內阻也會發生很大的變化，這些變化工程師也很難知道一個準確模型的，只能根據經驗去估計，這樣估計出來的結果和實際的結果就會有比較大的偏差。