《电量表IC简化锂离子电池的充电监测作业.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电量表IC简化锂离子电池的充电监测作业.doc（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、集合在线全球首个电子元器件团购平台对於仰赖锂离子电池的电路而言，判断电池的剩余电量需使用特殊技术，这会让能源采集应用的设计更为复杂。 工程师能采用此类应用常用的 MCU 和 ADC 纳入这些特殊技术，但是复杂性也会随着提升。 然而，工程师可使用众多制造商所推出的专用电量表IC，即可将此功能加入到既有的设计中，包括 Linear Technology、Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。判断锂离子电池的充电状态 (SOC) 非常重要，但也极具挑战性，因为不同的电池在容量上差距甚大，甚至相同电池也有此现象。 随着锂离子电池
2、老化，储存电荷的能力也会减弱。 因此，即使完全充电，老旧的电池提供可用电压的持续时间会比新电池更短。 在锂离子电池上，温度和放电率会大幅影响 SOC，会在任何特定电池上产生一系列独特的电压曲线（图 1）。Panasonic 的 VL 系列锂离子储存装置图 1：锂离子储存装置（如 Panasonic 的 LV 系列）的输出电压会受到众多因素影响，包括温度、放电率以及电池寿命（资料来源： Panasonic ）。锂离子技术特有的输出电压曲线本质会使得 SOC 的判定更加复杂。 至於其他技术，开路电压 (OCV) 则能为充电状态提供更可靠的指示。 Panasonic 的 VI 系列 等锂离子电池，具
3、有相对较平坦的输出曲线，因此监测方式更具挑战性（图 1）。 然而，锂离子电池的监测一般皆仰赖库伦计数或阻抗值量测达成；前者会随着时间追踪放电量，後者则藉由 SOC 和电池内部阻抗值之间的关系判断。这些方法每个都需要详尽且持续地测量电池的输出电流和电压，接着详尽分析这些数值并且与 SOC 的相关电压模型进行比较。 对能源采集应用而言，工程师通常可透过 MCU、ADC 等既有元件的优势，为能源采集应用提供核心功能。 可使用 Microchip Technology 的 MCP3421 等 ADC 撷取电流和电压输出的量测值，以便 MCU 进行分析（图 2）。 接着，MCU 会执行 SOC 演算法或
4、是对量测值与 SOC 查找表的理想值进行比较，或是进行一些演算分析以及数据搜寻的组合式方法。Microchip Technology 的 MCP3421 ADC图 2：工程师可透过 ADC（如 Microchip 的 MCP3421）实施电量表功能，藉此为 MCU 提供电池电压与电流的量测值，以进行 SOC 预估（资料来源：Microchip Technology）。电量表 IC 提供整合式解决方案，可用单一元件取代 ADC 和离散元件，能执行复杂的 SOC 预估法并且将预估结果传送到 MCU（图 3）。 绝大多数的电量表 IC 皆采用库伦计数法，藉此测量横跨电流感测电阻的电压，以便针对预估锂
5、离子电池之 SOC 所需的电流放电量进行追踪。Texas Instruments 的专用电量表 IC图 3：在典型应用中，专用电量表 IC 会测量横跨感测电阻的电压，藉此监测电池电流，然後将计算後的 SOC 结果以及其他电荷资讯传送给 MCU（资料来源：Texas Instruments）。进阶电量表 IC（如 Linear Technology 的 LTC2941-1）会结合专用的库伦计数器以及晶片上感测电阻，并针对温度进行补偿以提升准确性。 在此例中，库伦计数器会监测内部感测电阻所产生的电压，然後整合测得的数据预估电荷（图 4）。 LTC2942-1 含有 LTC2941-1 的功能以及额
6、外能力，可进行温度和电压的量测。Linear Technology 的 LTC2941-1图 4：Linear Technology 的 LTC2941-1 等电量表 IC 会整合混合式讯号库伦计数电路以进行 SOC 预估（资料来源：Linear Technology）。电量表 IC 通常会将 SOC 以单一数值的方式传送。 相反地，Linear 的 LTC4150 电量表 IC 会将结果以一系列输出脉冲的方式传送，并且呼应流进或流出电池的固定电荷量。虽然电量表 IC 常用库伦计数方法，但通常许多装置都会将库伦计数结合周期性电压量测，以便重新校正结果，将温度以及电池老化的效应纳入考量。 Max
7、im Integrated 的 DS2786B 会在电池充电以及放电时计算流入和流出电池的电荷。 应用未运作时，DS2786B 会进行电池 OCV 量测，但在这之前会延迟一段足够的时间让电池电压趋稳。 根据 OCV 量测结果，元件会使用晶片上的 OCV 电池模型调整其所储存的库伦计数值。 此模型储存在 DS2786B 的 EEPROM 中，会将 SOC 与电压曲线特定点上的电压彼此关联（图 5）。Maxim Integrated 的 DS2786B图 5：Maxim Integrated 的 DS2768B 具有晶片上模型，会将开路电压与锂离子电池的 SOC 相关联（资料来源：Maxim In
8、tegrated）。电源启动时，DS2768B 会进行初始的电压量测并使用 OCV 电池模型资料判断其电荷量测值的起始点。 下一次量测 OCV 即可让元件修正错误。 随着电池老化，元件会调整量测结果，将容量的变化纳入考量。STMicroelectronics 的 STC3115 采用其自行研发的 OptimGauge 调适性演算法追踪 SOC 并更新其晶片上电池模式，以因应温度、老化以及不同电池类型晶片上设定档所储存的电池特性差异。 晶片上的三角积分 ADC 会测量电池电压、电流以及温度值，以便追踪 SOC 并进行模式更新。 高速率充电和放电期间，元件会使用库伦计数来预估 SOC。对於电源敏感
9、的应用，元件亦含有低功率操作模式可停用电流感测。 工程师可针对 STC3115 进行编程，即可切换正常和低功率操作，在运作期间达到最高准确性，并在待机期间降低功耗。Texas Instruments 的 bqJUNIOR? 系列专为低功率操作设计，具备多种低功率操作模式，在作用模式中仅消耗不到 90 A，睡眠模式中不到 2.5 A，在数据保持的深度睡眠中不到 20 A。 bq27210 等 bqJUNIOR 元件皆提供已经针对电池寿命、温度、自放电以及放电率进行补偿的容量资讯。 在每个放电循环期间，这些元件会针对电流、容量、剩余供电时间、SOC、电池温度、电池电压以及状态等项目，对储存在晶片上
10、暂存器的数值自动进行重新校正。exas Instruments 亦提供采用其自行研发之 Impedance Track 方法的电量表 IC，会透过电池的阻抗量测值预估锂离子电池的 SOC。 阻抗追踪可省去对电池效能制作模型的需求，也不需为了更新晶片上模型参数而进行重新校正的步骤。 TI 的 bq27421-G1 和 bq27425-G2 等 Impedance Track IC 可计算剩余电池容量，无需制作模型或学习，并可在电池的整个寿命期间以及不同的操作条件下提供高准确性。结论精准预估锂离子电池 SOC 需仰赖电池电压与电流的详尽测量。 对有些能源采集应用而言，工程师可透过既有的 MCU 和 ADC 进行必要的测量和分析。 单晶片式电量表 IC 整合了精密的量测方法，可提供简易的 SOC 判断方案。 透过可用的电量表 IC，工程师可轻松在能源采集应用中增添必要功能，以便提供有关锂离子电池电荷与容量的准确资讯。本文引用自集合在线前沿论坛http:/
