電池是便攜式電子設(shè)備的唯一電力來(lái)源。無(wú)論是使用智能手機(jī)、健身追蹤器、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、室外導(dǎo)航設(shè)備、相機(jī)還是手持式收發(fā)器，都會(huì)遇到意想不到的低電量警告。大多數(shù)情況下，這類警告信息只會(huì)帶來(lái)不便，但對(duì)于安全和應(yīng)急設(shè)備來(lái)說(shuō)，可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

通過(guò)電量計(jì)確定電池充電狀態(tài)

由于電池材料、化學(xué)成分和環(huán)境溫度都會(huì)發(fā)生變化，因此只通過(guò)電量計(jì)檢測(cè)電池電壓所得到的結(jié)果并不可靠。此外，電池阻抗也會(huì)隨著充電狀態(tài)和電池老化程度而變化，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量更是難上加難。每種電池的化學(xué)特性都會(huì)產(chǎn)生一種獨(dú)特的放電特征，有些比較適合表示基于電壓的充電狀態(tài)，而有些電壓和負(fù)載電流放電曲線幾乎是一條直線，使得電量計(jì)只能顯示100%或一條平坦的曲線。

所以需要引入另一種能夠測(cè)量電池充放電電流的方法，即所謂的庫(kù)侖計(jì)法來(lái)確定充電狀態(tài)。這種方法考慮到了電池老化和自放電特性。

充電狀態(tài)對(duì)安全和消費(fèi)者體驗(yàn)的重要性

隨著消費(fèi)者對(duì)技術(shù)的日益了解，能否精確地指示電池充電狀態(tài)成為了衡量手持消費(fèi)電子設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池充電狀態(tài)，許多制造商會(huì)根據(jù)特定的應(yīng)用和用例來(lái)定制化電池，導(dǎo)致產(chǎn)品延遲上市，有些情況下還需向第三方供應(yīng)商發(fā)貨。然而，國(guó)家對(duì)于鋰離子等電池的運(yùn)輸監(jiān)管法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)運(yùn)輸方式和剩余電量均有明確的規(guī)定。

除了電池運(yùn)輸法規(guī)外，為了便于日常使用和儲(chǔ)存，還需要在設(shè)計(jì)中加入其他監(jiān)測(cè)電子設(shè)備，以使相對(duì)易揮發(fā)的電池 (許多電池能夠提供數(shù)百安培的電流) 能在安全的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。售后電池供應(yīng)商為了節(jié)省成本往往會(huì)忽略電池安全問(wèn)題，因此需要設(shè)備制造商在其電池和終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加電池加密認(rèn)證技術(shù)，以免出現(xiàn)安全問(wèn)題。

測(cè)量充電狀態(tài)所面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池充電狀態(tài)并將其顯示在電量計(jì)上，不僅需要考慮運(yùn)行期間的功耗，還需考慮待機(jī)期間的功耗。在運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，還需要考慮設(shè)備放在櫥柜中或“箱子里”時(shí)所產(chǎn)生的靜態(tài)電流。電量計(jì)本身也會(huì)消耗能量，因此，在計(jì)算電池可攜帶多少電量，以及消費(fèi)者收到電池后是否有足夠的電量來(lái)工作時(shí)，需要考慮到這一點(diǎn)。作為消費(fèi)者，我們喜歡產(chǎn)品在收到后無(wú)需充電即能工作。而為了保持電量計(jì)指示準(zhǔn)確，相關(guān)電路必須始終處于接通狀態(tài)。在消費(fèi)者使用產(chǎn)品之前關(guān)閉電量計(jì)，會(huì)造成充電狀態(tài)指示不夠準(zhǔn)確。請(qǐng)注意，為確保運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)期間的安全，如果溫度過(guò)高或部件故障導(dǎo)致出現(xiàn)短路情況，請(qǐng)謹(jǐn)慎啟用蓄電池保護(hù)功能 (溫度、電流和電壓監(jiān)測(cè))。

精確的充電狀態(tài)測(cè)量解決方案

Maxim Integrated MAX1730x低功耗系列就是一個(gè)很好的示例，它在3mm×3mm的封裝中集成了電量計(jì)、保護(hù)和認(rèn)證功能。MAX17301用于測(cè)量鋰離子電池或鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，當(dāng)激活輸出FET時(shí)，具有24μA的超低靜態(tài)電流，休眠期間更是低至18μA；禁用FET時(shí)，電流可降至0.1μA。此IC提供了一系列全面的電池健康狀態(tài)和安全保護(hù)功能，包括過(guò)壓（取決于溫度）、過(guò)充電流、電池欠/過(guò)溫、欠壓和過(guò)放電/短路。MAX1730x還具有用于與主微控制器通信的單線/I2C接口，以便讀取MAX1730x的數(shù)據(jù)和控制寄存器 (圖1)。

圖1：Maxim Integrated MAX1730x方框圖 (來(lái)源：Maxim Integrated)

電池健康狀態(tài)和保護(hù)要求由電壓、電流和溫度決定。Maxim的ModelGauge m5算法可用于計(jì)算電池的充電狀態(tài)，既具有庫(kù)侖計(jì)出色的短期高精度、高線性度特性，又具有電池開(kāi)路電壓測(cè)量出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此溫度補(bǔ)償算法的附加輸入可產(chǎn)生精確的充電狀態(tài)讀數(shù) (圖2)。該算法計(jì)算的是電池的開(kāi)路電壓，包括帶載情況。

圖2：使用ModelGauge m5算法計(jì)算Maxim MAX1730x的校正充電狀態(tài) (來(lái)源：Maxim Integrated)

MAX1730x通過(guò)電池老化特性和放電率來(lái)補(bǔ)償電量計(jì)讀數(shù)。它提供了各種工作條件下的充電狀態(tài)百分比或毫安時(shí) (mAh) 讀數(shù)。該算法還可提供滿充時(shí)間和老化預(yù)測(cè)功能，以預(yù)測(cè)電池何時(shí)開(kāi)始因老化和使用而導(dǎo)致容量下降。數(shù)據(jù)記錄功能使用非易失性存儲(chǔ)器記錄電池壽命周期內(nèi)的多達(dá)13個(gè)參數(shù)，包括自首次通電以來(lái)的時(shí)間。圖3演示了ModelGauge m5算法的工作原理。

圖3：詳細(xì)說(shuō)明Maxim Integrated ModelGauge m5算法的原理圖表 (來(lái)源：Maxim Integrated)

結(jié)論

能夠在電量計(jì)中準(zhǔn)確顯示電池的充電狀態(tài)，而無(wú)需對(duì)蓄電池進(jìn)行耗時(shí)的特性描述，是衡量一個(gè)產(chǎn)品是否成功的關(guān)鍵。Maxim采用ModelGauge m5算法的電量計(jì)IC MAX1730x不僅實(shí)現(xiàn)了這一功能，而且通過(guò)結(jié)合保護(hù)和認(rèn)證功能，節(jié)省了寶貴的電路板空間和材料清單 (BOM)。

審核編輯：郭婷