电池电量计的原理与计算(图)日期：2008-1-11 来源：今日电子/21IC 作者：Maxim 公司 陈祝清 字体：大 中 小 充电电池简介目前大量应用的充电电池包括铅酸蓄电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/ 锂聚合物电池。这几种电池的特性如表 1 所示。铅酸蓄电池容量大，内阻低(一般 400Ah 的 2V 蓄电池内阻大约为 0.5m)，可进行大电流放电，但是笨重且体积庞大、不便于携带，常用在汽车和工业场合。其电极材料含铅，可对环境造成极大污染。铅酸蓄电池对充电控制的要求不高，可以进行浮充。镍镉电池容量较大，内阻低、放电电压平稳，适合作为直流电源。与其他种类的电池相比，镍镉电池耐过充电和过放电，操作简单方便，但是具有记忆效应，应尽量在完全放电之后进行充电。电极材料含有剧毒重金属镉，随着环保要求的提高，其市场份额越来越小。镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展而来的，采用金属化氢替代有毒的镉，在大部分场合可以替代镍镉电池。其容量约为镍镉电池的 1.52 倍，且没有记忆效应。相对于镍氢电池，它对充电控制的要求较高，目前大量使用在一些便携电子产品中。锂离子电池是目前最常见的二次锂电池，拥有高能量密度，与高容量镍镉/镍氢电池相比，其能量密度为前者的 1.52 倍。其平均使用电压为 3.6V，是镍镉电池、镍氢电池的 3 倍。它的内阻较大，不能进行大电流充放电，并且需要精确的充放电控制，以防止电池损坏并达到最佳使用性能。锂离子电池广泛使用在各种便携电子产品中，包括手机、笔记本电脑、mp3 等。锂聚合物电池是一种新型的二次锂电池，具有更大的容量；内阻较低，允许 10C 充放电电流。它和锂离子电池一样需要精确的充放电控制。目前，锂聚合物电池主要用于一些需要大电流充放电的应用中，如动力/模型汽车等。充电电池容量估算方法在多数便携应用中，都需要随时了解电池剩余容量以估算电池使用时间。图 1 简化的电池电量计框图最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间有一个确定的关系，测量电池端电压即可估算其剩余容量。这种方法的局限是：1）对于不同厂商生产的电池，其开路电压与容量之间的关系各不相同。2）只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果，但是大多数应用都需要在运行中了解电池的剩余容量，此时负载电流在内阻上产生的压降将会影响开路电压测量精度。而电池内阻的离散性很大，且随着电池老化这种离散性将变得更大，因此要补偿该压降带来的误差将十分困难。综上所述，通过开路电压来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度，只能提供一个大致的参考值。另一种大量应用的方法是通过测量流入/流出电池的净电荷来估算电池剩余容量。这种方法对流入/流出电池的总电流进行积分，得到的净电荷数即为剩余容量。电池容量可以预置，也可在后续的完整充电周期中进行学习。在补偿电池自放电、不同温度下的容量变化等因素后，这种方法可以获得令人满意的精度，因此广泛运用于笔记本电脑等高端应用中。电池电量计工作原理电池电量计对流入/流出电池的总电流持续进行积分，并将积分得到的净电荷数作为剩余容量。简化的电池电量计如图 1 所示。其中，R SNS 为 m 级检流电阻，R L 为负载电阻。电池通过开关、R SNS 对 RL 放电时的电流 IO 在 RSNS 两端产生的压降为 VS(t)=IO(t)RSNS。电量计持续检测 RSNS 两端的压差 VS，并将其通过 ADC 转换为 N 位的数字量 Current(简称 CR)，之后以时基确定的速率进行累加，M 位累加结果 Accumulated_Current(简称 ACR)的单位为 Vh(伏时)。对量化后的 VS 进行累加相当于对其进行积分，结果为。电池电量 。因此，将 ACR 值除以检流电阻 RSNS 的阻值即得到以 Ah(安时)为单位的电池容量。ADC转换结果和累加后的结果都带有符号位，按照图 1 中的连接方式，充电时 CR 为正，ACR递增；放电时 CR 为负，ACR 递减。外部微控制器可以读取 CR 和 ACR 值，经过换算得到真实的充放电电流和电量值。实际的电量计还包括一些控制和接口逻辑，通常还能检测电池电压和温度等参数。一些智能电量计可以自动完成电池自放电的修正，还可保存电池特性曲线，允许用户定制电池电量计算法。电池电量计的计算通常，在电量计数据资料中 CR 的单位为 mV，ACR 的单位为 mVh。根据前文的说明，CR 值为取样电阻两端的电压值，典型的 12bit CR 如表 2 所示。其中，S 为符号位，2 0 为 LSB。如果 CR 的满偏值为 F，则其 LSB 的计算公式如下：（1）若 CR 的读数为 M，取样电阻为值 RSNS，则实际的电流值为：（2）电流方向由 S 位确定。若满偏值 F 为64mV ，则 LSB 为 15.625V；R SNS 为 10m 时最大电流为6.4A。若 M 为 768，则实际电流为 。ACR 为取样电阻两端电压的累积值，典型的 16bit ACR 如表 3 所示。其中，S 为符号位，2 0 为 LSB。如果 ACR 的满偏值为 F，则 LSB 的计算公式如下：（3）净电荷量由 S 位确定。若满偏值 F 为204.84mVh ，则 LSB 为6.25Vh；RSNS 为 10m 时最大电量为20.48Ah 。若 M 为 7680，则实际电量为 。结语本文在介绍了电池电量计的原理之后，给出了一些简单的计算公式。设计者可以方便的从电量计读数中计算出真实电量，从而加快设计过程。Maxim 公司 Len ShermanUSB 标准其中一个特性是从主机为插入的 USB 外设供电。从过去的串行和并行端口变化到 USB，这种进步可使连接到 PC 的各种器件数大大增加。 除直接供电 USB 器件外，USB 更有用的一个功能是用 USB 电源进行电池充电。由于很多便携装置(如 MP3 播放机，PDA)与 PC 交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在一条缆线上进行将会使装置方便性大大增强。把 USB 和电池供电功能结合起来，扩大了“非受限”装置(如移动 web 相机连接 PC 或不连接 PC 工作)的工作范围。在很多情况下，不必携带不方便的 AC 适配器。 从 USB 对电池充电可以复杂也可以简单，这取决于 USB 设备要求。对设计有影响的因素通常是“成本” 、“ 大小”和“重量”。其它重要的考虑包括： 1)当设备插入到 USB 端口时，带放电电池的设备能够以多快的速度进入完全工作状态；2)所允许的电池充电时间；3) 受USB 限制的电源预算；4) 包含 AC 适配器充电的必要性。本文从电源观点详述 USB 之后，将针对这些问题给出解决方案。 图 1 USB 电压降( 来自通用串行总线规定 Rev2.0) 图 2 USB 器件插孔 图 3 从 USB 简单充电 100mA 和从 AC 适配器充电 350mA 不需要枚举，这是因为USB 充电电流不超过“一个单元负载”(100mA) 。3.3V 系统负载总是从电池汲取电流。 USB 电源 所有主机 USB 设备( 如 PC 和笔记本电脑)至少可以供出 500mA 电流或每个 USB 插口提供 5 个“单元负载” 。在 USB 述语中，“一个单元负载” 是 100mA。自供电 USB 插孔也可以提供 5 个单元负载。总线供电 USB 插孔保证提供一个单元负载(100mA)。根据 USB 规范和图 1 的说明，在缆线外设端，来自 USB 主机或供电插孔的最小有效电压是 4.5V，而来自 USB 总线供电插孔的最小电压是 4.35V。这些电压在为锂离子电池充电时(一般需要4.2V)，其余量是很小的。 插入 USB 端口的所有设备开始汲取的电流不得大于 100mA。在与主机通信后，器件可决定它是否可以占用整个 500mA。 USB 外设包含两个插孔中的一个。两个插孔都比 PC 和其他 USB 主机中的插口要小。“SeriesB和更小的“Series Mini-B”插孔示于图 2。从 SeriesB 的引脚 1(+5V)和 4(地)和 Series Mini-B 的引脚 1(+5V)和 5(地)得到电源。 一旦连接，所有 USB 设备需要主机对其加以识别。这称之为“枚举”。在识别过程中，主机决定 USB 设备的电源以及是否为其供电，对于被认可的设备可以将负载电流从100mA 增大到 500mA。 简单的 USB/AC 适配器充电电路 某些非常基本的设备不希望额外的软件开销，此开销对有效 USB 电源的分类和最佳使用是需要的。若设备负载电流限制到 100mA(在 USB 中称之为“一单元负载”) ，则任何 USB主机、自供电插孔可以对设备供电。对于这样的设计，一个非常基本的充电器和稳压器电路示于图 3。 每当器件连接 USB 或插入 AC 适配器时，此电路就为电池充电。在同一时间，系统负载总是连接到电池，在这样的情况下，通过简单的线性稳压器(U2)可提供高达 200mA 电流。若系统连续地汲取这样的电流量而电池正在以 100mA 电流从 USB 充电，则电池仍将放电，这是由于负载电流超过了充电电流。在大多数的小系统中，峰值负载只发生在总工作时间的一小部分时间内，所以只需要平均负载电流小于充电电流，电池仍将充电。当连接 AC适配器时，充电器(U1) 最大电流增加到 350mA。若在同一时间连接 USB 和 AC 适配器，则AC 适配器自动处于优先供电的地位。 U1 的一个特性是 USB 规范所要求的(也是一般充电器的法则 )，即决不允许电流从电池或其他电源输入回馈到电源输入。在一般充电器中，用输入二级管可保证做到，但最小的 USB 电压(4.35V)和所需的锂离子电池电压(4.2V)之间的差值很小，甚至用肖特基二极管也是不合适的。基于此原因，在 U1 IC 中断开全部反向电流通路。 图 3 的电路有一些局限性，使它不适于一些可充电的 USB 设备。最明显的局限性是其相当低的充电电流，使得对大于几百毫安一小时的锂离子电池充电耗费时间很长。第二个局限是负载(线性稳压器输入 )总连接到电池。在这种情况下，系统不能够在插入后立即工作，这是因为电池深度放电，在电池达到一个足够的电压使系统工作之前有一段延迟时间。负载切换和增强型电路 在更先进的系统中，充电器或围绕充电器需要一些增强性能。这包括可选择的充电电流以适应不同电源或电池的供电能力，插入电源时的负载切换以及过压保护。图 4 所示电路增加了这些功能，它是借助于充电器 IC 电压检测器驱动的外部 MOSFET 实现的。 MOSFET Q1 和 Q2 以及二极管 D1 和 D2 旁路电池，直接连接有效(USB 或 AC 适配器)电源输入与负载。当电源输入有效时，DC 输入具有优先地位；U1 防止在同一时间两个输入都有效。二极管 D1 和 D2 防止通过“系统负载” 电源通路产生的输入之间的反向电流，而充电器具有内置电路排除通过充电通路(在 BATT)的反向电流。 MOSFET 也提供 AC 适配器过压保护( 高达 18V)。欠/过压监控器使 AC 适配器电压只在 4V 和 6.25V 之间。 MOSEFT Q3 在不存在有效外部电源时导通，使电池连接到负载。当 USB 或 DC 电源连接时，PON(电源开关)输出立即断开 Q3，使电池与负载断开。系统在加外部电源时能立即工作，既使电池深度放电或损坏也能立即工作。 当连接 USB 时，USB 器件与主机通信决定负载电流是否可以增加。若主机允许，负载开始在一个单元负载并增加到 5 个单元负载。到 1 个单元负载的电流范围对于一般充电器(不是设计用于 USB)来说存在一个问题。一般充电器的精度，尽管可满足高电流要求，但通常在低电流设置方面不能满足要求，这是由于电流检测电路的偏差造成的。其结果是小范围充电电流(1 个单