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，下篇文章中將進行進一步探討。

圖2LTC2944 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。若您對此技術感興趣，希望進一步了解和討論，可以聯系駿龍科技的技術人員。

圖4經典的電池模型

本文提到的 LTC2944 能夠以行業內最高精度的水平，提供這些數據，作為用戶進一步算法的支撐，那么 LTC2944 的工作原理是什么？又如何保證高精度？這些內容將會在下篇文章《高至 60V 的精密電池電量監測(下)》中詳細論述。

總結

電池已經無處不在，而設計出優秀使用體驗感的電池系統是非常有挑戰的工作。從電池真實剩余容量角度出發，目前電子行業內最準確的檢測方法是基于庫侖計原理，這涉及到多種參數的采集和專業的模型換算，然而，這一切的基礎是提供精準的電壓電流、工作溫度、庫侖計數參數。本文提出的 LTC2944 的高性能方案，能夠實現這些基礎參數，為用戶打造高性能電池監測系統奠定堅實基礎。

審核編輯：劉清