【導讀】圍繞電池電量監測，本文由ADI代理商駿龍科技的工程師Boris Wang為大家介紹ADI LTC2944 高至 60V 精準庫侖計方案，助力打造高性能電池監測系統，涵蓋電池設備的普及性、準確電量監測的重要性以及電量測量的原理，以及對 LTC2944 的內部結構、工作原理以及具體的庫侖計方案進行深入解析。
電池設備的普及應用
從手機電腦、電動自行車、電動工具，再到新能源汽車、醫療儀器、工業設備，電池已經成為越來越多電子產品的標配部件。尤其是輕便的鋰離子電池的誕生，讓所有設備脫離電源線成為了可能。這些設備可以顯示當前的剩余電量或運行時間，這是產品使用中最重要的用戶體驗之一。
隨著時間的推移，我們能夠明顯感受到，電池始終是會越來越不耐用的。有時候，這會形成一種 “續航焦慮”，例如，雖然設備顯示剩余 “10%” 的電量，然而它可能在下一秒就立刻關機了。在很多高功率多電池的設備中，如果用戶沒有足夠及時發現電池電量耗盡，就可能會出現十分危急或嚴重的后果，例如臨床醫療儀器的突然斷電會危及病人生命、工廠儀器的突然宕機會造成產線緊急關停。
如下圖 (圖1) 所示，為某型號鋰離子電池的循環壽命與放電深度的關系，可以明顯看到，充放電約深度，電池可使用的壽命越短。在日常的產品設計中，我們很難去約束客戶的充放電習慣，因此電池壽命往往是不可提前預測的，必須通過行而有效的電氣測量手段測量。
圖1 鋰電池的循環壽命與放電深度關系
如何精準地測量電池剩余電量、預測電池真實續航能力，是電子工程界一直致力解決的技術問題。由于電池是一種不穩定的電化學系統，對它的準確電參數采集就至關重要，實現電量監測功能顯然需要精密且專用的模擬電路方案。
高集成化電量監測
除了充電、保護和電池平衡電路外，電池電量測量也是智能多電池系統中常見的功能之一。無論是什么樣的電池供電設備，涉及電池的電路系統都面臨著一系列獨特的設計挑戰，因為電池的電氣性質總是在變化。例如，電池的最大容量 (也稱為健康狀態或 SOH) 和自放電速率總是隨著時間的推移而降低，而充電和放電速率也會隨著溫度的變化而變化。精心設計的電池系統可以不斷地動態處理這些參數變化，以便為使用者提供一致且準確的電池性能變現參數。對應到實際體驗中，我們就可以準確輸出一些指標，讓產品更具 “高級感”，包括：
● 當前剩余充電時間
● 當前系統續航時間
● 預期電池壽命 (或剩余充電次數)
從目前電子行業的主流技術來看，準確的電池電量測量功能，需要一個精準的電池庫侖計 IC 和相關的電池專用模型，最終系統是需要形成一個關鍵參數——荷電狀態 (SOC)。SOC 是指電池使用一段時間或長期擱置不用后，剩余容量與其全新且完全充電狀態時的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為，SOC 是當前電池容量占最大容量的百分比。雖然市面上有一些電量計 IC 集成了電池模型和算法，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細分析就會發現，這些 IC 往往會以犧牲準確性為代價，以簡化 SOC 的估計算法。
如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號 LTC2944 的庫侖計，它可以支持到最高 60V 的電池電壓，它提供的是最基本的精準庫侖計方案，再由用戶根據實際使用的電池模型進行電量估計運算，實現電量計功能。這是一種嚴謹的技術提供方式，將不確定因素開放給用戶，以更自由地使用器件，兼容更多高精確度應用，下文將進行進一步探討。
圖2 LTC2944 60V庫侖計方案
電量測量的原理
目前的研究表明，精確的庫侖計數、電壓、電流和溫度是準確估計 SOC 的先決條件，迄今為止，行業內能夠做到的 SOC 估計誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所示是各種電池的典型充放電曲線，在傳統的電壓型電量估計方法中，最困難之處就在平坦充放電區間的電量估計，因為這時電池電量的變化只會帶來很小電壓變化，于是會出現系統在很長一段時間內報告 75% 的 SOC，然后卻突然下降到 15% 的 SOC。
庫倫計數的方式，能夠很精確地確定當前電池處于曲線哪個位置，尤其是平坦區的位置。具體的方法是：
● 當電池充滿電時，用戶將庫侖計數器初始化為已知的電池容量。
● 在釋放庫侖時遞減計數或在充電庫侖時遞增計數 (能適應只充一部分電的情況)。
這種方案最大的優勢在于，這種電量計算方式不需要知道電池的化學成分。由于 ADI LTC2944 集成了庫侖計數器，因此這款 IC 可以輕松地用于多種電池設備，與電池的化學性質無關。
圖3 各種類型電池的典型充放電曲線
在電路系統得到庫倫計數數據之后，軟件算法上，要根據電池模型進行數學換算，以確定 SOC 的值，如下圖 (圖4) 所示的是一種經典的電池模型，涉及到串聯并聯的多個參數，實際上，這里還沒有考慮比較重要的溫度參數影響。模型分析與換算的方法是專業領域知識，在此不進行贅述，但可以確定的是，這個模型最基本要獲知的就是電壓、電流以及庫侖計數的參數數據。
圖4 經典的電池模型
精準的庫侖計方案
上文中提到了準確進行 SOC 分析的前提，是準確得到電壓、電流、溫度、庫侖計數參數。LTC2944 正是這樣一款能夠單芯片獲取所有參數的平臺方案。它的外圍電路也十分簡單，易于設計開發，將高精度的需求保障集成在芯片內部。
LTC2944 內部結構和工作原理
如下圖 (圖5) 所示為 LTC2944 的工作原理。從物理意義來說，電荷 (庫侖) 是電流在時間層面的積分。LTC2944 通過監測采樣電阻兩端產生的電壓來測量電荷，這個電壓范圍是 ±50mV，芯片對其的精度高達 99%。其中差分電壓被施加到自動調零的差分模擬積分器以換算電荷。
當積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) 時，開關將會切換以反轉電壓變化方向。控制電路將觀察開關的狀態和電壓變化方向以確定極性。接下來，可編程預分頻器允許用戶將積分時間增加 1 到 4096 倍。隨著預分頻器的每次下溢出或上溢出，累積電荷寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個計數單位。
圖5 LTC2944 的工作原理
值得注意的是，LTC2944 庫侖計數器中使用的模擬積分器引入了最小的差分偏移電壓，因此最大限度地減少了對總電荷誤差的影響。許多庫侖計 IC 對感測電阻器兩端的電壓進行模數轉換，并累積轉換結果以推斷電荷。在這樣的方案中，差分偏移電壓可能是誤差的主要來源，尤其是在小信號讀取期間。
例如，假設一個電量計方案中，是基于 ADC 原理的庫侖計數器，并具有 20uV 的最大指定差分電壓偏移水平，則該電壓偏移對 1mV 的輸入信號進行數字積分后，偏移導致的充電誤差為 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器，電荷誤差僅為 0.04%，小了 50 倍。
極高的精度表現
當庫侖計工作在平坦充放電曲線的區間時，電流和溫度是系統需要獲取的關鍵參數。這種設計的挑戰在于，電池的端子電壓 (帶載時) 會受到電池電流和溫度的顯著影響。因此，必須對電壓讀數進行校正補償，補償因子是與電池電流、開路電壓 (空載時)、溫度成比例的。在操作過程中為了測量開路電壓，就需要斷開電池與負載的連接，這是不切實際的，因此實際操作中是根據電流和溫度曲線調整端子電壓讀數。
由于獲得高 SOC 精度是系統最終設計目標，LTC2944 使用 14 位無延遲 ΔΣADC 用于測量電壓、電流和溫度，精度分別高達 1.3% 和 ±3℃。事實上，LTC2944 的性能實際表現還要更好。如下圖 (圖6) 顯示了 LTC2944 中的某些精度值是如何隨溫度和電壓而變化的，主要體現了以下三個規律特點。
● 當測量電壓時，ADC 總的未調整誤差小于 ±0.5%，且在感測電壓范圍內較恒定
● 當測量電流時，ADC 增益誤差通常在工作溫度下小于 ±0.5%
● 對于任何給定的感測電壓，溫度誤差僅隨溫度變化約 ±1 攝氏度
所有這些精度指標加在一起，就會顯著影響 SOC 的精度，這就是為什么電壓、電流和溫度的監測對電池電量計應用很重要。
圖6 LTC2944 各種精度表現圖
LTC2944 在測量電壓、電流和溫度時，提供四種 ADC 操作模式。在自動模式下，芯片以幾毫秒的周期連續執行 ADC 轉換，而掃描模式是每 10 秒轉換一次，然后進入睡眠狀態。在手動模式下，芯片對命令執行一次轉換，然后進入睡眠狀態。每當芯片處于睡眠模式時，靜態電流都會降至 80uA。LTC2944 的整個模擬部分也可以完全關閉，以將靜態電流進一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在系統中額外耗電的存在感進一步降低。
為何沒有電池模型？
用戶可以使用數字 I2C 接口從 LTC2944 讀取電池電量、電壓、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C 配置幾個 16 位寄存器，讀取狀態、控制開/關，并為每個參數設置可報警的高閾值和低閾值。警報系統消除了連續軟件輪詢的需要，并釋放 I2C 總線和主機來執行其他任務。此外，ALCC 引腳既可用作 SMBus 警報輸出，也配置為充滿電或放空電的提示信號。有了所有這些數字功能，有人可能仍然會問，“為什么 LTC2944 沒有內置電池模型或 SOC 估計算法?” 答案很簡單，為了追求極致的準確性。
雖然具有內置電池配置文件和算法的電量計芯片可以簡化設計，但它們往往是根據實際電池做的不充分或不相關的模型，并在這個過程中犧牲了 SOC 的準確性。例如，用戶可能被迫使用由未知來源或未知溫度范圍內生成的充放電曲線；可能不支持精確的電池化學性質，這會對 SOC 精度造成更大影響。
關鍵是，精確的電池建模通常考慮許多變量，并且足夠復雜，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進行建模，以獲得最高水平的 SOC 精度，而不是依賴于不準確的通用內置模型。這些內置模型也使電量計功能變得不靈活，難以重復設計到其他應用中。實際調試開發中，在軟件中進行 SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。
此外，高電壓范圍也是 LTC2944 與當今市場上其他類似功能產品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電，也可以由高達 60V 的滿電電池組供電，解決了從低功耗便攜式電子產品到高壓電動汽車的任何應用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡，這可以進一步降低 LTC2944 電路的總功耗并提高精度。
總結
電池電量監測是一項復雜的電路設計工作，因為有許多相互依賴的參數會影響 SOC。行業內普遍認可的是，準確的庫侖計數，加上電壓、電流和溫度讀數，是估計 SOC 的最準確方法。LTC2944 庫侖計提供所有這些參數的測量功能，并且故意規避了內部電池建模功能，允許用戶在特定應用軟件中實現自己的相關配置文件和算法。此外，測量和配置寄存器可以通過 I2C 接口輕松實現，支持最高 60V 的電池系統，并且可用于任何化學成分的電池，最重要的是，它的準確度是行業內無與倫比的。
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