鑒于電池壽命在用戶滿意度和便攜式產品的市場成功中所發(fā)揮的關鍵作用，各種各樣的供應商提供燃料或氣體計IC都不足為奇。通過在所有操作條件下持續(xù)估算電池電量，這些設備執(zhí)行許多重要任務，包括延長系統(tǒng)運行時間和電池壽命，幫助管理電池的運行狀況，并通過報告故障狀況來提高安全性。同時，通過執(zhí)行原本需要使用分立元件的任務，電量計IC有助于減少元件數(shù)量，成本和產品占用空間，同時最大限度地減少系統(tǒng)處理器上的軟件開銷。

然而，準確估算鋰離子（Li-ion）電池的容量并非易事。鋰離子電池的充電狀態(tài)（SOC）受各種因素驅動，包括溫度和放電率。電量計IC用于估算SOC的算法必須補償各種問題，如自放電，電池單元的內部阻抗和電池老化。電量計IC必須將這些數(shù)據與電池的先前知識相結合，以準確估算SOC。

老化問題是這項任務固有挑戰(zhàn)的一個很好的例子。雖然細胞的容量通常不同，但隨著細胞老化，個體細胞的容量也隨著時間的推移而變化，并且失去了儲存電荷的能力（圖1）。設計人員在估算SOC時面臨的一個更困難的挑戰(zhàn)是如何補償能夠在比新電池更短的時間內提供電壓的舊電池。

圖1：電量計IC必須補償電池壽命對容量的影響。上圖說明了隨著電池的年齡或周期數(shù)的增加，其隨時間保持固定電壓的能力下降。 （來源：德州儀器公司）

快速發(fā)展

通常，電量計IC位于電池組上，使用低值分流電阻跟蹤電流進出電池。早期的電池監(jiān)控電路只是測量電池的電壓。然而，難以獲得高度精確的電池容量估計，因為當負載電流水平改變時，對于給定的SOC，電池的瞬時電壓可以向上或向下移動。

今天大多數(shù)電量計IC都采用庫侖計算方法來計算電池容量。這些器件使用帶有測量電路和定時器/計數(shù)器的小型檢測電阻器隨時間跟蹤毫安電池的進出電池。為了在典型條件下產生電池容量模型，它們從已知的起始點（例如100％容量）計算電池輸入和輸出的mAH。然后，當電池充電和放電時，電路可以跟蹤SOC。

然而，庫侖計數(shù)方法本身存在一些缺點。這種類型的儀表必須考慮所有運行的充電和放電活動，以準確測量SOC。然而，當電池通常由于自放電而失去電荷時，這種方法通常不能解決長期存儲期間的損失。它也無法補償電流檢測電路可能無法測量的廣泛變化的負載電流，特別是在極低或高端。

一些電量計供應商將庫侖計與片上檢測電阻集成在一起，該電阻經溫度補償以提高精度。其他人使用電池阻抗測量來估計鋰離子電池的SOC。這種方法使用實時電阻曲線，通過調整所有使用條件下的IR壓降來預測電池的放電曲線。通過在系統(tǒng)啟動時將庫侖計數(shù)與系統(tǒng)關閉時的開路電壓測量相結合，這些儀表可以提供高精度。

多種選擇

今天供應商提供從簡單的電量監(jiān)測計IC到完全集成的電池管理和保護電路，提供廣泛的解決方案。對于平板電腦，便攜式和可穿戴健康設備以及便攜式音頻設備等應用，德州儀器（TI）的bq28z610為1系列和2系列鋰離子電池組提供高度集成的電量監(jiān)測計（圖2）。該設備通過使用主模式I 2 C充電電流和電壓信息廣播實現(xiàn)自動電池充電控制，從而最大限度地降低了系統(tǒng)控制器上的軟件開銷。該集成儀表將低功耗TI bqBMP處理器與高精度模擬前端相結合，具有兩個獨立的ADC，集成閃存以及各種外設和通信端口。它還增加了一個高端保護N-CH FET驅動器，以支持故障條件下的串行總線通信，以及一個SHA-1認證響應器，用于電池組安全性。

圖2：德州儀器的bq28z610電量監(jiān)測計提供高水平的集成。高性能嵌入式模擬外設支持低至1mΩ的檢測電阻，并可同時進行電流/電壓數(shù)據轉換，以進行功率計算。 （來源：德州儀器）

為了在不進行建模或學習的情況下準確計算剩余電池容量，bq28z610采用德州儀器專有的阻抗跟蹤算法。雖然許多電量計依賴于模型電池性能或執(zhí)行重新校準序列來更新片上模型參數(shù)，但阻抗跟蹤方法使用電池阻抗測量來估計鋰離子電池的SOC。德州儀器聲稱這種方法在電池壽命期間的誤差小于1％。

在選擇電量計IC時，功耗和占位面積通常是關鍵考慮因素。低靜態(tài)電流特別重要，因為當關閉電池負載以定期測量開路電壓時，必須給電量計通電。 Maxim的MAX17048和MAX17049電量計IC工作在23μA，在休眠模式下運行低至4μA（圖3）。這兩款器件體積小巧，采用0.9 x 1.7 mm，8凸塊晶圓級封裝（WLP）或2 x 2 mm，8引腳TDFN封裝。

兩款器件均采用Maxim的ModelGauge Li +電池建模算法。與需要多個外部元件（包括檢測電阻）的傳統(tǒng)庫侖計數(shù)儀不同，ModelGauge通過提供精確的充電狀態(tài)來減少占位面積，從而補償溫度和負載，同時消除電阻和電池學習周期。使用系統(tǒng)微控制器實現(xiàn)溫度補償。 MAX17048采用單節(jié)鋰電池供電，而MAX 17049則支持兩節(jié)串聯(lián)鋰電池。

圖3：憑借其ModelGauge電池建模算法，Maxim Integrated的MAX17048/MAX17049電量計IC通過消除傳統(tǒng)電量計設計中使用的電流檢測電阻和其他外部元件，減少了占板面積。 （來源：Maxim Integrated）

電流和電壓保護是任何電量計解決方案的關鍵考慮因素。對于單節(jié)鋰離子電池組，德州儀器公司的bq28550-R1將電池電量監(jiān)測計與一整套電流和電壓保護功能結合在一起（圖4）。該器件需要主機微控制器支持實現(xiàn)。 bq28550-R1通過串行接口為系統(tǒng)處理器提供所有關鍵電池信息，包括充電狀態(tài)，空載運行時間，充電時間，電池電壓和電池組溫度。同時，它還提供短路，過流充電和放電，過壓充電和欠壓保護。

圖4：專為電池組設計集成，bq28550-R1單節(jié)鋰離子電池電量監(jiān)測計增加了短路，過流，過壓和欠壓保護。 （來源：德州儀器）

為了準確估算燃料容量，該設備使用補償放電終止電壓（CEDV）方法，其中算法在數(shù)學上模擬電池電壓作為電池SOC，溫度和電流的函數(shù)。它還將電池阻抗（Z）建模為SOC和溫度的函數(shù)。

結論

隨著電池容量計的使用范圍的擴大，設計師也依賴于他們提供的數(shù)據的準確性。今天的便攜式系統(tǒng)必須比以往任何時候都更能響應環(huán)境條件。它們越來越多地用于根據可用的電池容量做出運營決策。通過精確測量關鍵參數(shù)，準確估算SOC并將信息提供給主處理器，電量計IC可以幫助系統(tǒng)更有效地從電池中提取電力并最大限度地延長運行時間。