由于產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間受到電池容量的限制，因此必須有一種精確的方法來(lái)測(cè)量剩余電池容量，以避免意外關(guān)機(jī)。本應(yīng)用筆記描述了一個(gè)在狗追蹤項(xiàng)目中獲得準(zhǔn)確電池容量讀數(shù)的實(shí)驗(yàn)。

介紹

我的狗摩卡經(jīng)常喜歡在徒步旅行時(shí)跑在我前面進(jìn)行一些越野探索。她總能找到我 后來(lái)，但有時(shí)在我開始尋找她很久之后，所以我想找到一種方法來(lái)輕松跟蹤她的位置。Adafruit是一家總部位于紐約的開源硬件 該公司還為想要嘗試或了解有關(guān)電子產(chǎn)品的更多信息的人們提供了許多資源。這 該公司的GPS記錄狗背帶項(xiàng)目涉及使用Adafruit的可縫制微控制器平臺(tái)FLORA和 GPS模塊跟蹤狗的位置。我認(rèn)為這將是監(jiān)控我的狗在遠(yuǎn)足時(shí)活動(dòng)的好方法，所以我 與我的同事穆罕默德·伊斯梅爾（Mohamed Ismail）一起承擔(dān)了可穿戴狗跟蹤系統(tǒng)項(xiàng)目。

對(duì)于我們的原型，除了FLORA和GPS模塊外，我們還集成了MAX1472 ISM發(fā)送器來(lái)廣播GPS。 坐標(biāo)，以及四個(gè)FLORA RGB智能NeoPixel LED，使摩卡在夜間徒步旅行中更加明顯。這些新像素 還用于指示電池中的剩余電量，以便我們知道何時(shí)在系統(tǒng)關(guān)閉之前獲得皮帶 下。我們使用綠色表示 50% 或更多的電荷，黃色表示 50% 到 25% 之間的電荷，紅色表示 表示 25% 或更低的費(fèi)用。

在我們最初的迭代中，幾乎所有東西都完美地工作 - 我們能夠獲得GPS坐標(biāo)，閃爍不同的 新像素顏色，以及與ISM發(fā)射器的廣播坐標(biāo)。我們監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的方法 但是，收費(fèi) （SOC） 沒有按預(yù)期工作。為了估計(jì) SOC，我們使用了基于 在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)測(cè)量電池電壓。我們發(fā)現(xiàn) NeoPixel 在總數(shù)的 25% 中不是紅色的 運(yùn)行時(shí)，但僅適用于 9%。我們決定研究確定電池SOC的不同方法，以便我們可以 確定最準(zhǔn)確的方法。

分壓器還是電量計(jì)IC？

確定電池電量的一種簡(jiǎn)單方法是測(cè)量電池兩端的電壓。在阿達(dá)果植物區(qū)系 平臺(tái)上，分壓器（圖3）連接到板載微控制器的ADC輸入。然后，用戶可以 獲取ADC讀數(shù)并計(jì)算其端子處的電池電壓。端電壓用于估計(jì) 電池的剩余電量，基于電池的特性和系統(tǒng)的關(guān)斷電壓。

圖3.分壓器用于確定 Adafruit FLORA 上的電池電量。

使用分壓器計(jì)算SOC的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它經(jīng)常產(chǎn)生不一致的讀數(shù)。電池的 端電壓取決于 SOC 以及負(fù)載電流、溫度和年齡。這三者的任何變化 參數(shù)可能導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。如果負(fù)載電流發(fā)生變化或電池溫度偏離，則估算 基于簡(jiǎn)單電阻分壓器的電池SOC不會(huì)那么精確。我們最初的設(shè)計(jì)具有恒定的脈沖負(fù)載 并且用于室外操作，導(dǎo)致電池壽命指示器非常具有誤導(dǎo)性。

使用電量計(jì)IC是分壓器方法的替代方法。燃油計(jì)量方法非常復(fù)雜， 因此，更昂貴;但是，它們可以非常準(zhǔn)確。電阻分壓器上的總電阻 FLORA為160kΩ，因此連接到Li+電池時(shí)消耗~23μA。我們不想更換電阻分壓器 由于功耗更高，因此我們選擇了僅使用7μA電流的電量計(jì)IC。Maxim的MAX17055使用該公司名為ModelGauge? m5的電量計(jì)算法，該算法結(jié)合了 兩種最常見的電量計(jì)方法——庫(kù)侖計(jì)數(shù)和開路電壓測(cè)量——報(bào)告電池的 SOC，誤差僅為 1%。另一個(gè) ModelGauge m5 技術(shù)的創(chuàng)新之處在于它包括一個(gè) EZ 配置功能，消除了 需要電池表征，這是大多數(shù)電量計(jì)IC所需要的。

圖4.Maxim的MAX17055電量計(jì)IC采用ModelGauge m5技術(shù)確定電池電量。

比較測(cè)試

我們進(jìn)行了一系列測(cè)試，將FLORA上的原始分壓器與Maxim的MAX17055電量計(jì)IC進(jìn)行比較。 測(cè)量電阻分壓器后，用MAX17055替換元件。要保持一致性，請(qǐng)保持 測(cè)試結(jié)果，我們使用一個(gè)150mAhr電池進(jìn)行所有測(cè)試。首先，我們通過(guò)放電 具有恒定負(fù)載的電池，觀察分壓器和電量計(jì)的結(jié)果。接下來(lái)，我們使用了 更真實(shí)，脈沖負(fù)載對(duì)電池放電，并觀察分壓器和電量計(jì)的精度。

使用電阻分壓器的基線測(cè)試

FLORA 上分壓器的輸出只是幫助您確定電池的端電壓;因此 必須執(zhí)行一些計(jì)算才能將電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為易于理解的電荷百分比。第一 我們使用125mA的恒定負(fù)載使電池完全放電。在恒定時(shí)間報(bào)告電池電壓 間隔。圖5顯示了電池完全放電時(shí)五個(gè)放電周期的平均電池電壓。 然后，我們使用兩種不同的方法從電壓輸出端確定放電過(guò)程中電池的SOC。 分。

圖5.電池在恒流負(fù)載下放電時(shí)隨時(shí)間推移的平均電池電壓。

在我們的第一種方法中，我們將電池的電壓與剩余電量的一定百分比相關(guān)聯(lián)。150mAh電池 用于測(cè)試的最大充電電壓為4.2V，因此該電壓與100%充電相關(guān)。最小排放量 電池的電壓為3.0V，因此該電壓與0%充電相關(guān)。根據(jù)這兩個(gè)估計(jì)，我們使用了線性 將FLORA分壓器報(bào)告的電池單元電壓轉(zhuǎn)換為近似百分比的公式 剩余電量。這是我們的“線性”近似方法。雖然電池之間很容易形成關(guān)系 電池電壓和SOC，它不是很準(zhǔn)確，因?yàn)槿鐖D5所示，電池單元電壓不會(huì)降低 出院時(shí)呈線性。

下一種方法是通過(guò)測(cè)量電池的放電時(shí)間來(lái)基于消耗的電量。在恒定負(fù)載電流下， 通過(guò)的時(shí)間量與消耗的電荷量成正比（庫(kù)侖/秒×秒=庫(kù)侖），因此SOC （庫(kù)侖）。在這種情況下，100% 的電荷與首次將負(fù)載放置在 電池。0% 的電量與設(shè)備關(guān)機(jī)的時(shí)間相關(guān)。要使用此方法形成準(zhǔn)確的模型， 我們平均發(fā)現(xiàn)了五次放電測(cè)試。從那里，我們?yōu)槠骄?SOC 創(chuàng)建了一條四階趨勢(shì)線。更高的 對(duì)于每個(gè)電池電壓樣本，階多項(xiàng)式將變得不切實(shí)際。這條趨勢(shì)線的等式是 用于將電池電壓與 SOC 相關(guān)聯(lián)。圖 6 中的實(shí)線表示平均 SOC 曲線，而虛線表示 表示趨勢(shì)線。這是我們的“多項(xiàng)式”近似方法;參見圖 6 的公式 趨勢(shì)線。

圖6.四階多項(xiàng)式，可用于將電池電壓近似為充電百分比 剩余。

使用MAX17055進(jìn)行基線測(cè)試

最后，我們將這兩個(gè)近似值與Maxim的電量計(jì)IC MAX17055的輸出進(jìn)行了比較。MAX17055輸出 許多結(jié)果，包括電池電壓、負(fù)載電流、年齡和溫度。它還使用 ModelGauge m5 算法來(lái) 近似于電池的 SOC。以恒定負(fù)載對(duì)電池放電會(huì)導(dǎo)致 SOC 線性降低 時(shí)間——這是我們希望看到的結(jié)果。圖7中的紫色圖顯示了電量計(jì)IC的讀數(shù)， 以及上述線性和多項(xiàng)式近似。

圖7.電池放電時(shí)基于分壓器的線性模型的恒定電流充電， 分壓器的多項(xiàng)式模型和電量計(jì)的 SOC 模型。

從圖 7 可以明顯看出，每個(gè)近似值都假設(shè)電池在不同時(shí)間充滿 50% 和充滿 25%。圖 8 顯示了電池放電時(shí) NeoPixel 的顏色。在右側(cè)的條形圖中，您可以看到我們使用的每個(gè)模型的運(yùn)行時(shí)間百分比與我們預(yù)期看到的所需結(jié)果的比較。線性模型的條形圖顯示，NeoPixel保持綠色，表示>電量為50%，即使電池電量接近25%！

圖8.左圖顯示了使用每個(gè)模型放電期間的 NeoPixel 顏色。右圖所示 以易于與所需結(jié)果比較的形式說(shuō)明相同的數(shù)據(jù)。

在這種情況下，多項(xiàng)式模型和電量計(jì)都報(bào)告了相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，實(shí)際設(shè)計(jì) 沒有使用恒定負(fù)載電流。即使模型可以在恒流負(fù)載下工作，當(dāng)切換到 更真實(shí)的脈沖負(fù)載。

三種電量計(jì)方法的脈沖負(fù)載測(cè)試

為了真正測(cè)試所有三種電量計(jì)方法的功能，我們必須使用真實(shí)的脈沖進(jìn)行另一個(gè)實(shí)驗(yàn) 放置在系統(tǒng)中的負(fù)載電流。負(fù)載在消耗125mA電流4分鐘和消耗60mA電流2分鐘之間交替 紀(jì)要。許多系統(tǒng)在待機(jī)電流和有功電流消耗之間的差異要大得多，這會(huì)加劇 此測(cè)試的結(jié)果。我們使用了與上述基線測(cè)試相同的三種方法——基于電壓的線性模型 分壓器、基于分壓器的多項(xiàng)式模型以及MAX17055報(bào)告的SOC。圖 9 顯示了結(jié)果 的脈沖負(fù)載測(cè)試。紫線是電量計(jì)隨時(shí)間推移報(bào)告的 SOC。藍(lán)線是近似值 使用線性模型從分壓器獲得SOC，而使用多項(xiàng)式模型近似綠線。

圖9.電池放電時(shí)基于分壓器的線性模型的恒定電流充電， 分壓器的多項(xiàng)式模型和電量計(jì)的 SOC 模型。

圖10a和圖10b提供了相同數(shù)據(jù)的視圖，每個(gè)視圖都顯示了放電期間NeoPixel的顏色。

圖 10.每個(gè)型號(hào)的 NeoPixel 在脈動(dòng)負(fù)載下對(duì)電池放電時(shí)的顏色。

兩種方法都使用分壓器的結(jié)果來(lái)近似引入的剩余電池容量 輸出中的錯(cuò)誤脈沖。這些結(jié)果顯然是不準(zhǔn)確的，并產(chǎn)生令人困惑的結(jié)果，交替出現(xiàn) 在綠色和黃色之間，黃色和紅色之間。這證明了負(fù)載變化對(duì)端電壓的影響 電池。Maxim電量計(jì)中的復(fù)雜算法顯示了對(duì)負(fù)載效應(yīng)的免疫力，并繼續(xù) 輸出與電池實(shí)際 SOC 相匹配的 SOC 線性下降。由于應(yīng)用中的負(fù)載電流是恒定的 我們的研究結(jié)果只是強(qiáng)調(diào)了使用像MAX17055這樣的電量計(jì)IC的重要性。

結(jié)論

在使用便攜式電子設(shè)備時(shí)，消費(fèi)者希望能夠信任剩余電池的準(zhǔn)確性 負(fù)責(zé)。有一些簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法來(lái)估計(jì)電池SOC，但它們的結(jié)果遠(yuǎn)非準(zhǔn)確。一個(gè) 方法類似于FLORA上描述和使用的分壓器報(bào)告隨負(fù)載變化很大的數(shù)據(jù)。這可以 讓我覺得我有足夠的電池容量再走 10 分鐘，只是讓我的狗的追蹤器關(guān)閉 在我找到她之前就下來(lái)了。更先進(jìn)的電量計(jì)IC，如MAX17055，提供值得信賴的精度。我 實(shí)驗(yàn)使我確信，電量計(jì)IC值得每一分錢。

審核編輯：郭婷