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本文刊登於新通訊元件雜誌2003年10月號(hào)

前言
新一代的無線裝置、PDA、網(wǎng)際網(wǎng)路播放器以及其他應(yīng)用產(chǎn)品都必須具有精確的電池容量監(jiān)控功能.由於這些產(chǎn)品的架構(gòu)日趨複雜,產(chǎn)品提供的功能也多有改善,這些因素均會(huì)對(duì)所使用的電池以及電池管理技術(shù)造成影響.由於使用者需要知道實(shí)際的剩餘可用容量,因此傳統(tǒng)上單純使用電壓作為基礎(chǔ)的容量偵測(cè)架構(gòu)將不再適用於這些新式產(chǎn)品.舉例來說,使用者想要知道在電池的容量徹底耗竭前,他們還能下載多少個(gè)聲音檔案,還能進(jìn)行多少次股票的下單交易,或是還能打久的電話.因此,不準(zhǔn)確的剩餘容量偵測(cè)會(huì)造成使用者的困擾以及無力感.

簡(jiǎn)單的說,以電壓為基礎(chǔ)的容量監(jiān)控架構(gòu)缺乏今日無線應(yīng)用產(chǎn)品所需的精確度.舉例而言,鋰離子電池或鋰聚合物電池在充電以及放電時(shí)的電壓曲線相當(dāng)平坦.更具體的來說,在一個(gè)典型的充電過程中,這類電池充電時(shí)超過70%的時(shí)間是處於定電壓充電的模式下;而定電壓模式則會(huì)充入超過40%的電池容量.同樣的,在放電的過程中大部分的容量是在相當(dāng)窄的電壓範(fàn)圍(3.7伏特到3伏特之間)內(nèi)釋放出來的.

除了上述的問題外,剩餘可用容量也與電池的自放電率(self-discharge) 、電池老化、溫度以及放電曲線或放電率有關(guān),並且為這些參數(shù)的函數(shù).尤其對(duì)無線應(yīng)用產(chǎn)品來說,放電曲線或放電率的影響更形重要.例如,GSM手持式話機(jī)的放電曲線為大於1安培的脈衝電流,其責(zé)任週期約為25%.在待機(jī)模式下時(shí),此一電流則降低為10毫安培.

為了解決精準(zhǔn)的容量追蹤與監(jiān)控的挑戰(zhàn),德州儀器已經(jīng)針對(duì)此一需求開發(fā)了一系列的精確電池監(jiān)控元件.這些元件使用庫侖計(jì)算法(coulomb counting)作為基礎(chǔ)以提供使用者有關(guān)電池剩餘容量精確且可靠的資訊.本應(yīng)用報(bào)告之主要目標(biāo)在於提供如何使用這些元件建立精確電池電量偵測(cè)電路的方法.

產(chǎn)品比較
下表提供現(xiàn)有之電池監(jiān)控IC的比較:

功能 bq2018 bq2019 bq2023 bq26200 bq26220
記憶體 ‧115位元組的一般用途記憶體 ‧13個(gè)硬體暫存器 ‧提供暫存器備份 (Register Backup) 輸入以避免資料流失 ‧32位元組的一般用途記憶體 ‧96位元組的快閃記憶體 ‧8位元組的ID唯讀記憶體 ‧18個(gè)硬體暫存器 ‧32位元組的一般用途記憶體 ‧224位元組的快閃記憶體 ‧8位元組的ID唯讀記憶體 ‧32位元組的一般用途記憶體 ‧96位元組的快閃記憶體 ‧8位元組的ID唯讀記憶體 ‧18個(gè)硬體暫存器 ‧32位元組的一般用途記憶體 ‧224位元組的快閃記憶體 ‧8位元組的ID唯讀記憶體 ‧18個(gè)硬體暫存器
電流感測(cè)方式 ‧差動(dòng)式電流感測(cè)輸入 ‧單端式電流感測(cè)輸入 ‧差動(dòng)式電流感測(cè)輸入 ‧差動(dòng)式電流感測(cè)輸入 ‧差動(dòng)式電流感測(cè)輸入
充電/放電計(jì)算率 ‧12.5 mVH ‧3.05 mVH ‧3.05 mVH ‧3.05 mVH ‧3.05 mVH
準(zhǔn)位偏移校準(zhǔn) ‧由主機(jī)端 (Host) 啟動(dòng),需時(shí)一個(gè)小時(shí) ‧可在電池組暫態(tài)時(shí)作為最後一次測(cè)試的最後一個(gè)步驟啟始 ‧由主機(jī)端 (Host) 啟動(dòng),需時(shí)42.6分鐘 ‧可在電池組暫態(tài)時(shí)作為最後一次測(cè)試的最後一個(gè)步驟啟始 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償
準(zhǔn)位偏移補(bǔ)償 ‧準(zhǔn)位偏移結(jié)果儲(chǔ)存在內(nèi)部暫存器中 ‧主機(jī)端進(jìn)行準(zhǔn)位偏移補(bǔ)償 可使用下列兩種方法: 1. 主機(jī)端進(jìn)行準(zhǔn)位偏移補(bǔ)償 2. 自動(dòng)補(bǔ)償準(zhǔn)位偏移 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償 ‧持續(xù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)與補(bǔ)償
溫度回報(bào)解析度 ‧10℃ ‧1℃ ‧0.25℃ ‧1℃ ‧1℃
電壓量測(cè) ‧無 ‧無 ‧無 ‧無 ‧有
可規(guī)劃輸出腳位 ‧無 ‧開汲極狀態(tài)輸出 ‧開汲極狀態(tài)輸出 ‧開汲極狀態(tài)輸出 ‧輸入或開汲極輸出
電流消耗 ‧60 mA ‧80 mA ‧32 mA ‧78 mA ‧30 mA
封裝 ‧8支腳SOIC或是TSSOP ‧8支腳TSSOP ‧8支腳TSSOP ‧8支腳TSSOP ‧8支腳TSSOP

系統(tǒng)組成部分
為了要量測(cè)電池的充電與放電電流,同時(shí)將電池的剩餘電量報(bào)告給使用者,電池監(jiān)控系統(tǒng)需要下列的組成部分(參見圖1).這些組成部分包括:
一個(gè)諸如bq2018,bq2019或bq2023之類的電池監(jiān)控IC:電池監(jiān)控IC包括了一個(gè)精準(zhǔn)的庫侖計(jì)算器,溫度監(jiān)控器,通訊介面以及其他功能.
一個(gè)精確的電流感測(cè)電阻:低阻值(其典型值介於10到20毫歐姆之間)的感測(cè)電阻可提供量測(cè)流入或流出電池之電流大小的方法.電池監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)量測(cè)電流感測(cè)電阻兩端的電壓差.
一個(gè)具一組通用輸出入腳位以供通訊的主控制器:主控制器用來提供電池監(jiān)控系統(tǒng)的智慧型功能.主控制器也會(huì)處理電池監(jiān)控IC的所有通訊功能.由於HDQ與SDQ均為單線式非同步之通訊協(xié)定,使用一個(gè)通用的輸出入腳位即可處理此一通訊流程.主控制器同時(shí)必須對(duì)由電池監(jiān)控IC讀取到的資料進(jìn)行處理,以判斷電池的剩餘電量狀態(tài).

圖1:系統(tǒng)組成元件

什麼是庫侖計(jì)算法?
庫侖計(jì)算法簡(jiǎn)單來說便是量測(cè)輸入電池或由電池流出的總電荷量.為了要達(dá)到此一目的,首先必須在電池組的負(fù)端以及電池組的接地接點(diǎn)間加上一個(gè)低阻值的串聯(lián)感測(cè)電阻以量測(cè)充電及放電的電流.再將此一感測(cè)電阻上的電壓降依時(shí)間積分,便可獲得精確的電池電量資訊.德州儀器公司所推出的電池監(jiān)控元件均使用一個(gè)高精確度、低位移電壓的電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器(voltage to frequency converter, VFC)來量測(cè)感測(cè)電阻上的電壓降.電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器的輸出則被累加到充電或放電的暫存器以代表流入或流出電池的總電荷量.此一架構(gòu)如圖2所示.


圖2 庫侖計(jì)算法的簡(jiǎn)化功能方塊圖

電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器被接成當(dāng)電流流入電池時(shí)(即充電過程)時(shí),感測(cè)電阻上所產(chǎn)生的電壓降為正值.相對(duì)的,當(dāng)電流流出電池時(shí)(即放電過程)時(shí),感測(cè)電阻上所產(chǎn)生的電壓降則為負(fù)值.充電以及放電的過程被累加在兩個(gè)獨(dú)立的暫存器中,這兩個(gè)暫存器分別為充電計(jì)量暫存器(Charge Count Registers, CCR)以及放電計(jì)量暫存器(Discharge Count Registers, DCR).

電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)成以一個(gè)基本的速率進(jìn)行計(jì)數(shù).此一速率通常被稱為VFC增益(在應(yīng)用手冊(cè)中則被稱為GVFC).一般來說,VFC增益值主要用來提供電壓對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器之輸出對(duì)輸入電壓的轉(zhuǎn)換比率.在電池監(jiān)控元件的資料手冊(cè)中,VFC增益的單位是Hz/伏特.此一單位代表特定的輸入電壓在固定的週期中產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值比例.舉例來說,bq2018的VFC增益為22.2 Hz/伏特而bq2019的VFC增益為90.51 Hz/伏特.這代表當(dāng)bq2018的CCR暫存器每秒鐘累加一次時(shí),其輸入電壓應(yīng)該為45毫伏特(1秒鐘除以22.2 Hz/伏特 ).而當(dāng)bq2019的CCR暫存器每秒鐘累加一次時(shí),其輸入電壓應(yīng)該為11.05毫伏特(1秒鐘除以91.1 Hz/伏特 ).

除了充電/放電計(jì)量暫存器之外,電池監(jiān)控元件還包含了兩個(gè)時(shí)間暫存器,這兩個(gè)暫存器分別為充電時(shí)間計(jì)數(shù)器(Charge Time Counter, CTC)以及放電時(shí)間計(jì)數(shù)器(Discharge Time Counter, DTC).當(dāng)電池進(jìn)行充電時(shí),充電時(shí)間計(jì)數(shù)器會(huì)累加.當(dāng)電池進(jìn)行放電時(shí),放電時(shí)間計(jì)數(shù)器會(huì)累加.同一時(shí)刻內(nèi)只有一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器會(huì)動(dòng)作,且在暫存器尚未溢位(rollover)前,其累加速率為每小時(shí)4096個(gè)計(jì)數(shù).

感測(cè)電阻的選擇
感測(cè)電阻的大小必須謹(jǐn)慎選擇,如此方能在不超過電池監(jiān)控元件限制的情況下量測(cè)產(chǎn)品全範(fàn)圍的充電以及放電電流.所需考量的項(xiàng)目包括:
元件的資料手冊(cè)中所列出之SR輸入端的最高電位值.舉例來說,bq2019的限制值為-100毫伏特到+100毫伏特.因此,流經(jīng)感測(cè)電阻的充電/放電電流所產(chǎn)生的壓降就必須低於±100 毫伏特.
元件的資料手冊(cè)中所列出之VFC增益值.舉例來說,bq2019的計(jì)計(jì)算充電與放電之速率為每小時(shí)12.5微伏特.因此,當(dāng)訊號(hào)低於12.5微伏特時(shí),元件需要一個(gè)小時(shí)以上的時(shí)間才能讀取到改變.當(dāng)選擇感測(cè)電阻值時(shí),設(shè)計(jì)人員必須考慮解析度對(duì)時(shí)間的關(guān)係.
感測(cè)電阻必須能承受充電以及放電時(shí)的功率消耗.
計(jì)算充電以及放電的時(shí)間
主控制系統(tǒng)可藉由讀取時(shí)間零點(diǎn)時(shí)的CTC/DTC值(標(biāo)示為CTC0/DTC0),並在一段時(shí)間後再次進(jìn)行讀取CTC/DTC值(標(biāo)示為CTC1/DTC1)以計(jì)算經(jīng)過的時(shí)間.

所經(jīng)過的時(shí)間可由下列公式求得(單位為秒):

Δt (s)= [(CTC1 – CTC0) + (DTC1 – DTC0)]*3600/4096       (1)

在計(jì)算出Δt之後主控制系統(tǒng)可將CTC1/DTC1儲(chǔ)存到CTC0/DTC0以計(jì)算下一次的週期與時(shí)間.

前述的討論主要用來提供計(jì)算電池剩餘容量所需的基本資訊.充電/放電計(jì)量暫存器、VFC增益值以及時(shí)間改變量乃是用來計(jì)算剩餘容量以及剩餘可用時(shí)間的三個(gè)重要數(shù)值.

計(jì)算平均電流
主控制系統(tǒng)無法以連續(xù)的方式與電池監(jiān)控元件進(jìn)行通訊,因?yàn)槲⒖刂破鞅仨毎汛蟛糠值臅r(shí)間花在進(jìn)行其他系統(tǒng)元件的控制上.但是在進(jìn)行電池監(jiān)控的過程中,主微控制器必須針對(duì)前一個(gè)週期的平均電流進(jìn)行計(jì)算.本段說明假設(shè)主控制器已經(jīng)與電池監(jiān)控元件完成通訊,並已將初始數(shù)值儲(chǔ)存起來或已經(jīng)進(jìn)行過CCR/DCR以及 CTC/DTC 暫存器的維護(hù)動(dòng)作.初始的讀值在此被標(biāo)示為CCR0/DCR0 以及 CTC0/DTC0.一段時(shí)間後主控制器再次讀取CCR/DCR 以及CTC/DTC 暫存器的數(shù)值,並將其標(biāo)示為CCR1/DCR1 以及 CTC1/DTC1.

前一段時(shí)間內(nèi)的平均電流值:
IAVG (A) = [(CCR1-CCR0) – (DCR1-DCR0)] / (Δt * GVFC * RSR)       (2)

Δt (s)是由(1)式或是由主控制器的內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)算而得的,GVFC為VFC增益(Hz/伏特),RSR(歐姆)為感測(cè)電阻值.當(dāng)IAVG為負(fù)值時(shí),代表電池放電.當(dāng)IAVG為正值時(shí),代表對(duì)電池充電.

此一數(shù)值可以用來計(jì)算固定的放電率電池剩餘的可用時(shí)間.

計(jì)算累積電流
累積電流用來計(jì)算電池的絕對(duì)剩餘容量,要計(jì)算此一數(shù)值必須知道某些時(shí)刻的電池容量.在第一次電池由充滿電放電到電池全空的過程中,通常會(huì)使用電池的額定容量作為此一數(shù)值.在此之後,可利用下列的簡(jiǎn)單演算法則更新實(shí)際的電池容量.前一段時(shí)間累積的電流量為:

IACC (As) = IAVG * Δt = [(CCR1-CCR0) – (DCR1-DCR0)] / (GVFC * RSR)        (3)

在計(jì)算出IAVG或IACC之後,主控制系統(tǒng)必須將CCR1/DCR1儲(chǔ)存到CCR0/DCR0以供下一段時(shí)間的計(jì)算.

計(jì)算剩餘容量
計(jì)算剩餘容量為電池電量偵測(cè)的主要目的.此一數(shù)值可以用數(shù)種方法加以處理以提供使用者有用的資訊.此一數(shù)值可以總?cè)萘?為電池之額定容量或推算而得的容量)的百分比來表示,或是用來計(jì)算電池尚餘的可用時(shí)間.計(jì)算剩餘可用時(shí)間的公式如下所示:

剩餘容量之計(jì)算:
RM1 (As) = RM0 + IACC        (4)

IACC (As) 是由式(3)計(jì)算而得的,RM0 (As)是最近一次計(jì)算出的剩餘容量.
在計(jì)算出剩餘容量後,主控制系統(tǒng)必須將RM1儲(chǔ)存到RM0以供下一段時(shí)間的計(jì)算.

計(jì)算使用定放電速率的剩餘可用時(shí)間
此類計(jì)算的先決條件為使用者希望知道當(dāng)平均電流量等於某固定值時(shí),電池剩餘的容量可持續(xù)提供此一電流多久的時(shí)間才會(huì)耗竭.此一計(jì)算需要以較計(jì)算IACC更長(zhǎng)的時(shí)間間隔計(jì)算IAVG數(shù)值(由第(2)式計(jì)算而得).平均電流的計(jì)算值越準(zhǔn),剩餘可用時(shí)間的估計(jì)也越精確.

使用IAVG放電率計(jì)算剩餘可用時(shí)間:
TTE@RATE (s) = RM1 / IAVG        (5)

其中IAVG (A)可由第(2)式計(jì)算而得,RM1(As)為根據(jù)第(4)式計(jì)算而得的剩餘容量.

其他電池相關(guān)參數(shù)
其他與電池相關(guān)的參數(shù)包括溫度以及電壓.所有TI公司的電池監(jiān)控IC均具備了量測(cè)並回報(bào)晶片(die)溫度至主控制器的功能.請(qǐng)參考表1以獲得更詳盡的資訊.

大部分的主控制器使用ADC通道來監(jiān)控電池電壓.藉由量測(cè)電池的電壓,主控制器可以在電池放電到放電結(jié)束電壓時(shí)通知使用者.放電結(jié)束電壓會(huì)依電池之設(shè)計(jì)以及電池的種類而有所不同,此一電壓代表了不損及電池的使用壽命之前提下電池得以維持正常操作的最小電壓值.

總結(jié)
本應(yīng)用文章說明使用TI的電池監(jiān)控元件對(duì)電池組進(jìn)行電量偵測(cè)所需的系統(tǒng)組成部分並進(jìn)行系統(tǒng)功能概述.本報(bào)告提出了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)以及數(shù)個(gè)基本的方程式,這些均有助於建立一個(gè)基本的電池電量偵測(cè)應(yīng)用電路.此一應(yīng)用報(bào)告並未針對(duì)其他建立更複雜的電量偵測(cè)演算法則的步驟進(jìn)行討論.這些步驟包括容量的學(xué)習(xí)曲線、充電效率校準(zhǔn)、自放電校準(zhǔn)、因溫度與電壓造成的VFC增益誤差、VFC準(zhǔn)位偏移以及元件溫度回報(bào)等.適當(dāng)?shù)奶幚磉@些因素將有助於在整個(gè)系統(tǒng)的溫度與電壓操作範(fàn)圍內(nèi)進(jìn)行更精確的剩餘容量計(jì)算.這些主題將在其他的應(yīng)用文章中進(jìn)行討論.