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​电量计基础知识介绍:

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徐师兄
发布于 2022-12-19 09:17:30
发布于 2022-12-19 09:17:30
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预计阅读时间: 11分钟

电量计是什么?

电量计英文名称Gas Gauge, Fuel Gauge, 或简称Gauge。

顾名思义,电量计就是监测电池、计量电量。

典型电池包框架如下:

分立电量计架构:

集成保护功能的电量计架构:

包含电芯、电量计IC、保护IC、充放电MOSFET、保险丝FUSE、NTC 等元件。一级保护IC 控制充、放电MOSFET,保护动作是可恢复的,即当发生过充、过放、过流、短路等安全事件时就会断开相应的充放电开关,安全事件解除后就会重新恢复闭合开关,电池可以继续使用。一级保护可以在高边也可以在低边。二级保护控制三端保险丝,保护动作是不可恢复的,即一旦保险丝熔断后电池不能继续使用,又称永久失效(Permanent Failure, PF)。电量计IC采集电芯电压、电芯温度、电芯电流等信息,通过库仑积分和电池建模等计算电池电量、健康度等信息,通过I2C/SMBUS/HDQ 等通信端口与外部主机通信。

电量计能做什么?

一些电量计常用的功能:

• 电池电压、电流、温度监测

o 为主机系统提供电池电压、电流、温度等信息,便于系统应用决策。

o 准确的电池端电压、电流、温度有利于实现安全、准确的充放电控制和管理。

• 电池容量预测

o 预测电池剩余容量(Remaining Capacity, 简称RC 或RM, mAh 或mWh)、电池满充容量(Full Charge Capapcity, 简称FCC, mAh 或mWh)、电池剩余容量百分比(State of Charge, 简称SOC, %)。

o 预测剩余放空时间(Average Time To Empty)、剩余充满时间(Average Time To Full)。

o 有了准确的容量预测,则可以充分利用电池的容量,充得更满、放得更空,从而获得更长的电池续航时间。

• 电池健康度预测

o 电池健康度(State Of Health, %),反映电池老化程度,便于系统做电池回收或更换决策。

o 可用于充电决策,预防电池加速老化或鼓包。

• 电池安全预警及保护

o 对于集成保护的电量计,电量计可以做非常全面的安全预警及保护。保护项目涵盖电压方面(过充、过放),电流方面(充电过流、放电过流、短路),温度方面(电芯高温、电芯低温、充放电MOSFET 高温),电芯内部(电芯内短路),电芯配组方面(电芯断线、电池不均衡),充电方面(充电电压过高、预充超时、快充超时、容量过充),系统方面(通信超时、NTC 断线、充放电MOSFET 失效、FUSE 失效、外部二级保护触发等),以及电量计本身等多方位全功能的安全保护。

o 电池安全保护可简单分为一级和二级。一级保护是控制充放电MOSFET,可恢复的。二级保护是熔断三端FUSE,不可恢复的,又称永久失效(Permanent Failure, PF)。一级保护可分为多个层次,比如软件采集电流作比较判断过流保护,比较门限值较高、延时较长;硬件比较器比较电流作比较判断过流保护,比较门限值较低、延时较短。

• 电池Lifetime & Black Box 记录

o Lifetime 记录电池生命周期里的使用状况,比如电压、温度、电流的最大值、最小值,循环次数,运行时间,满充记录,安全事件等等。

o Black Box 记录电池发生永久失效(Fuse 熔断)那一刻电池的各项参数、状态。

o 此外,电量计还可以储存生产信息、序列号等用户信息,方便追溯。

o 给保修分析提供依据。

• 实施安全快充管理

o 电量计拥有电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息,能够实时根据当前电池状态向主机充电器索取最合适的充电电压、充电电流,能够在安全的条件下实现多种形式充电需求,比如JEITA、线损补偿、快充、降额充电等等。

o 对于集成保护的电量计,还可以实施充电保护。

o 有了准确的健康度预测、电池安全预警及保护、电池安全充电控制,则可以充分保护电池安全,延长电池寿命(循环次数更多)。

• 电池认证

o 集成专业的加密认证算法(比如SHA-1, SHA-256, ECC 等)来标识电池是授权的。只有授权的、安全的电池才能使用或充电。

• 其它功能

o 提供电池支持的最大电流、最大功率信息,支持Turbo Mode(DBPT)等。

o 对于集成保护的多串电量计还具有电池均衡功能。

不同电量计可能包含以上功能的某几个甚至全部。

电量计是如何计量的,怎么选型?

电量计的输入是电池电压、电流和温度,然后通过对电池建模来计算输出容量信息。所以电量计的三大核心是:(1)硬件,来实现高精度采样、低功耗运行;(2)算法,来对电池建模;(3)固件,把算法编程实现,计算输出容量信息。

覆盖立体全面,支持电芯串数从单串到多串,支持多种电池化学类型比如Li-ion,LiFePO4, NiMH 等等,支持手机、平板、笔记本电脑、TWS 耳机、电动工具、吸尘器、电动单车、无人机、储能等等多种市场应用,有分立电量计、也有集成保护的电量计。

电量计选型的几个维度:

(1). 电芯化学类型:Li-ion/Li-Polymer, LiFePO4, NiMH, NiCd, Lead Acid,Primary Lithium, SuperCap 等。不同化学类型电芯的充放电特性不同,所以查看电芯规格书确定其化学类型,选择支持该化学类型的电量计。

(2). 电芯串联数目:1S, 1~2S, 2~4S, >4S 等。电池包可能由多节电芯串联(S, in series)或并联(P, in parallel)。两个相同电芯串联则电压相加,容量不变。两个相同电芯并联则容量相加,电压不变。电量计把同一串的多个电芯并联当作一个整体看,所以选择电量计时只看电芯串联数目,不看并联数目。

(3). 通信接口:HDQ, I2C, SMBUS 等。HDQ 是单线通信,常用于电池接口引脚数少的应用。I2C 接口的电量计最多,常用于手机等应用。SMBUS 是基于I2C 发展而成的,SMBUS 接口的电量计常用于笔记本电脑等应用,SMBUS 电量计能与I2C 总线主机通信

(4). 电量计放在电池包内(Pack-side)还是放在系统板(System-side)。

Pack-side 是最推荐的做法,相对System-side 有以下优点。

• Pack-side 电量计直接采样电芯电压;System-side 电量计采样电池包端口电压,不是电芯真实电压,含有CHG FET、DSG FET、Rsense、连接器、走线等压差。所以Pack-side 电量计电压更准确,有利于提高电量计量、充电以及保护精度。

• 电量计可集成加密认证算法,这样的电量计放在Pack-side 能用来标识电池是授权的。如果电量计放在System-side 则仍需要增加额外的认证IC 放在电池包内,综合成本比Pack-side 电量计高。

• Pack-side 电池保护板PCM进行电压、电流、温度校准比System-side 系统板校准更容易。

• Pack-side 电量计由电池厂商开发,系统厂商只需要读取电量计信息即可,项目开发周期比System-side 更短。

• 对于可插拔电池,System-side 电量计和系统都会掉电,RAM 数据会丢失,需要在电池插入后重新学习;而Pack-side 电量计RAM数据不丢失,能够持续不间断地跟踪电芯状态,因此比System-side 电量计更准确。

电量计算法介绍

• 电压查表法

最简单的电量计量算法是电压查表法,利用电池开路电压OCV 与电量一一对应的

原理,只需要采集电池电压,根据预存OCV 表来查找对应的电量SOC。

这种方法比较容易实现,常见于对电量精度没有要求、只用几段LED 粗略指示电量区间等场合。电压查表法的优点是在电池静置无电流、电压充分稳定时比较准确,无需完全放电即可知道当前的容量。缺点是有电流时精度差,尤其是负载波动时可能导致电池容量指示上下跳动。由于电池内阻,有电流时电池两端电压已经不能跟SOC 一一对应;此外,电池有瞬态效应,加载瞬间电池电压非线性变化,移除负载时电池电压非线性恢复,并且放电深度不同其恢复时间不同,电压充分稳定需要很长时间。

• 库仑计数法

库仑计数法的概念与流量计相似,把电池当作一个容器,计数充进电池的电荷量和从电池放出的电荷量,来计算电池内的剩余电荷量。库仑是电荷量的单位,1 库仑=1 安培·秒,所以可以通过对电池电流积分来计算电量。

库仑计数法的优点是不受电压测量失真(比如电池内阻导致电压失真、瞬态效应导致电压失真、放电曲线平坦区细小电压变化导致电量较大误差)影响;在电池有电流时仍可准确测量。缺点是需要完全充满完全放空来更新总容量,否则有误差累积;只能测量电池进出的电流,无法测量电池自放电电流,因而无法排除自放电的影响。

• CEDV 算法

CEDV(Compensated End of Discharge Voltage)算法是对库仑计数法的改进。库仑计数法需要完全满充满放来更新总容量,但困难在于很多用电池的系统不会把电池放空,毕竟电池电压太低会导致系统关机,要留有关机裕量。因此要在放空之前提前更新容量。考虑到电池放电平坦区的误差影响,不能提前太早,一般选择在平坦区之后约7%时更新。常用的三个EDV 点有EDV2 对应7%的电压、EDV1 对应3%的电压、EDV0 对应0%的电压。在不同的放电电流、不同的放电温度下三个EDV点对应的电压是会变化的,因此TI 的CEDV 算法就会对EDV 对应的电压进行补偿,根据负载和温度等对7%的电压进行修正,从而在准确的7%点更新容量。

• Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法

Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法在基于锂电池电化学特性、动态学习跟踪电池阻抗、结合负载变化来预测计算电量,发挥电压法和库仑计数法的优点,克服电压法和库仑计数法的缺点。

• DVC 算法

DVC (Dynamic Voltage Correlation)算法是在阻抗跟踪算法基础上,不用电流采样电阻、电流采样网络和ADC,通过电池电压变化和阻抗模型来推算电流,然后像阻抗跟踪算法那样计算电量。这种方法的整体方案外围电路非常简洁。

上述几种算法。阻抗跟踪算法的精度最优。

本文来自《TI 电量计应用指导》(朱明武(Mingmo Zhu), 张楚涛(Hugo Zhang), 姚赤东(Steven Yao) 著)的摘录,侵请联系删文。

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原始发表:2022-11-05,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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