引言

要精確估算Li+電池的剩余電量，有必要了解電池特性如何隨著溫度和負載電流的變化而改變。本應用筆記介紹了一種獲取Li+電池特性的方法，討論了如何采集并處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評估軟件，用于電量計應用中。器件通過累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數(shù)據(jù)與已計算出的電池滿電量和空電量進行比較，從而確定剩余容量。

獲取Li+電池特性的步驟

1.確定充電和放電曲線獲取Li+電池特性的最好辦法是創(chuàng)造一個盡可能與實際應用相類似的環(huán)境。其中包括保護電路、放電曲線(包括實際應用中有效電流和待機電流的典型值)、充電曲線、及應用的周圍環(huán)境溫度。因此要求對電池充電和放電過程進行模擬，并且要相應調(diào)整工作溫度。通常情況下，應該以10°C為步長，在0°C至40°C范圍內(nèi)獲取各種電池特性參數(shù)。同時，評估軟件所要求的溫度點間隔也是10°C。

有效電流指用戶使用過程中Li+電池的典型輸出電流。待機電流指空閑狀態(tài)時Li+電池的典型輸出電流。

評估軟件電量計部分中ActiveEmpty和StandbyEmpty分別對應Li+電池以有效電流放電和待機電流放電到空電壓(由用戶定義)的點?？针娏奎c如圖1所示，相關(guān)說明見步驟5。用戶可以定義不同的有效空電量點和待機空電量點。充電電路將Li+電池充分充電的點定義為滿電量點。有關(guān)使用內(nèi)置電量計的Dallas電池管理器件的詳細說明，參見應用筆記131：Lithium-IonCellFuelGaugingwithDallasSemiconductor。

圖1.逐步放電過程中電壓與電流的關(guān)系

2.校準器件的失調(diào)寄存器根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應校準器件的失調(diào)。借助于所選器件的評估軟件，可以很容易的對器件的失調(diào)進行校準。確認電路中沒有接入負載，然后點擊Meters標簽中的CalibrateOffset按鈕。如果不使用評估軟件，可根據(jù)應用筆記224：CalibratingtheOffsetRegisteroftheDS2761，逐步校準失調(diào)。

3.開始記錄數(shù)據(jù)使用評估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進入DataLog標簽，設(shè)置SampleInterval為15秒并點擊LogData。建議采用15秒的間隔時間，因為該時間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數(shù)據(jù)點。所有實時數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中，直到點擊StopLoggingData按鈕。

4.在室溫下激活電池首先必須對電池進行激活(break-in)。通常，在Li+電池壽命的初期其容量將有百分之幾的波動。因此，建議在測試電池特性之前使其經(jīng)過20次完全充放電周期。在這一過程中無需記錄數(shù)據(jù)，但如果進行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶監(jiān)視其他電池失調(diào)參數(shù)，以用于最終數(shù)據(jù)分析。

5.從最高溫度開始校準通常建議從最高溫度開始測試電池的特性，因為此時Li+電池容量最大，適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點。設(shè)定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機空電量點。隨后，根據(jù)實際應用要求的充電曲線對電池充分充電，這一點對應的是該溫度下的滿電量點。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶定義的有效空電壓，以確定有效空電量點。最后，將負載變?yōu)榇龣C電流并繼續(xù)放電，直至電壓降到待機空電壓，以確定待機空電量點。

如果想加速該過程，用戶可以將電流從有效電流逐步降低至待機電流。如圖1所示，設(shè)定有效電流為200mA，待機電流為5mA，兩種情況下的空電壓均定義為3.3V。采用200mA的電流將電池放電至3.3V，使電壓降到有效空電量點，然后，經(jīng)過幾秒鐘后，再以100mA的電流對電池放電，使其再次達到空電壓點。隨后放電電流逐步降低，從50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后電池電壓穩(wěn)定在空電壓，該點即為待機空電量點。這樣，不需要經(jīng)過漫長的5mA放電過程，即可使電池快速達到相同的空電量點。

6.在各個溫度下重復操作一旦到達某一溫度的待機空電量點，立即轉(zhuǎn)入下一個溫度，并開始對電池充電直至電池滿充。充電完成后即到達該溫度的滿電量點。然后將電池放電到有效空電量點和待機空電量點。在所有需要的溫度上重復上述操作，完成對電池特性的測量。

從特性參數(shù)中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)點

評估軟件將實時數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導入電子表格。然后可以通過分類或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數(shù)據(jù)。

7.找出所有需要的數(shù)據(jù)點用戶可以對記錄文件里的數(shù)據(jù)進行分類，標記出所有滿電量點、有效空電量點以及待機空電量點。完成上述過程的簡單辦法是，瀏覽所有數(shù)據(jù)，查找Current列并觀察電流讀數(shù)的變化情況，并且在電子表格中沒有用到的列插入“x”。例如，當電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時，記為滿電量點；當電池停止以有效電流放電時，記為有效空電量點；當電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時，記為待機空電量點。然后通過電子表格的自動篩選(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各個重要的標記點。

表1給出了獲取Li+電池特性時，使用DS2761采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選后，標記出的各個重要數(shù)據(jù)點的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點即為滿電量點。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點對應有效空電量點。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點則對應待機空電量點。分別在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下獲取電池特性參數(shù)。

如果在步驟4的電池激活過程中記錄了數(shù)據(jù)，可以對空電量點進行比較，以判斷其是否有增加或減少，進而判斷電流值是否存在失調(diào)。因為是在恒溫條件下完成這一激活過程，所以如果不存在任何失調(diào)，則所有空電量點將完全相同。如果存在失調(diào)，則應該根據(jù)ACR列所引入的失調(diào)對數(shù)據(jù)進行響應的修正，從而準確測量Li+電池特性。

表1.Li+電池特性參數(shù)

Time

Voltage

Current

Temperature

ACR

Mark

Label

1:13:26AM

3.25

918.317

40

62.38

x

Start

2:12:41AM

4.158

480.817

40

927.97

x

Break

2:41:34AM

4.197

68.688

39.75

1032.7

x

Full

5:26:54AM

3.035

-345.297

40.125

81.19

x

ActiveEmpty

7:36:03AM

2.757

-2.475

39.875

71.04

x

StandbyEmpty

8:35:50AM

4.163

440.594

30.125

930.2

x

Break

9:06:28AM

4.197

69.307

30

1032.2

x

Full

11:50:18AM

3.006

-344.678

30.375

94.06

x

ActiveEmpty

1:44:11pM

2.757

-3.094

30.125

80.69

x

StandbyEmpty

2:45:07pM

4.168

376.856

20.125

929.95

x

Break

3:18:54pM

4.197

69.926

21.125

1031

x

Full

6:00:16pM

2.987

-345.297

20.625

110.15

x

ActiveEmpty

7:46:43pM

2.757

-3.094

20.5

90.1

x

StandbyEmpty

8:51:04pM

4.177

306.312

10.375

928.71

x

Break

9:29:26pM

4.197

70.545

10.5

1028.5

x

Full

12:06:02AM

2.962

-346.535

10.875

130.94

x

ActiveEmpty

2:01:00AM

2.757

-3.094

10.75

100.5

x

StandbyEmpty

3:16:05AM

4.182

230.817

0.625

919.06

x

Break

4:00:59AM

4.197

69.926

0.5

1019.3

x

Full

6:28:55AM

2.943

-350.248

1.25

161.63

x

ActiveEmpty

9:18:10AM

2.777

0

0.875

113.61

x

StandbyEmpty

8.確定電池容量的相關(guān)數(shù)據(jù)通過記錄文件ACR列的數(shù)據(jù)，可以確定不同溫度下Li+電池滿電量點和空電量點。滿電量點和空電量點只是一個相對值，需要選擇一個固定參考點。選擇最高溫度下的待機空電量點作為參考，因為該點往往是獲取電池特性參數(shù)過程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此，所有讀數(shù)均大于該點的值，易于進行數(shù)據(jù)存儲。

表2列出了表1中所有重要的ACR值。選擇40°C時的待機空電量點作為參考點，將其他所有ACR值減去71.04mAhrs，以得出其他點的滿電量和空電量點。表3列出了以40°C待機空電量點為參考點的所有滿電量和空電量點的值，可以通過評估軟件很方便的將這些數(shù)據(jù)存儲到器件中。

表2.表1中的滿電量和空電量點

Temperature

0

10

20

30

40

Full

1019.3

1028.5

1031

1032.2

1032.7

StandbyEmpty

113.61

100.5

90.1

80.69

71.04

ActiveEmpty

161.63

130.94

110.2

94.06

81.19

表3.以40°C的待機空電量點為參考點的滿電量和空電量點

Temperature

0

10

20

30

40

Full

948

957

960

961

962

StandbyEmpty

43

29

19

10

0

ActiveEmpty

91

60

39

23

10

9.確定轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點是用于估計充電剩余時間的重要數(shù)據(jù)點。借助轉(zhuǎn)折點，采用2分折線來近似充電期間的ACR曲線，如圖2所示。轉(zhuǎn)折點由用戶選擇，應保證由轉(zhuǎn)折點所確定的2分折線與實際的ACR曲線之間具有的誤差最小。

圖2.20°C下充電時ACR曲線和2分折線近似的關(guān)系

確定轉(zhuǎn)折點的最簡單方法是：繪出充電期間的ACR時間曲線，觀察曲線在何處發(fā)生轉(zhuǎn)折。建議選擇ACR曲線的中間溫度作為轉(zhuǎn)折點，同時所有溫度均選擇該點作為轉(zhuǎn)折點。該轉(zhuǎn)折點以低于滿電量電多少mAhrs表示。圖2中，轉(zhuǎn)折點約比滿電量點低100mAhrs。

10.確定各個點的充電估計剩余時間Fuelpack算法要求提供轉(zhuǎn)折點、所有溫度下從空電量點到滿電量點的時間以及所有溫度下從轉(zhuǎn)折點到滿電量點的時間這一系列數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)剩余充電時間的精確估算。因此，需要對數(shù)據(jù)進行分析并篩選出所有轉(zhuǎn)折點?？梢哉页鏊袧M電量點，減去步驟9中所選的轉(zhuǎn)折點的mAhrs值，即可以很簡單的找出轉(zhuǎn)折點。

從表1中的數(shù)據(jù)中，取前一個溫度點的待機空電量點的時間(開始充電的時間)、轉(zhuǎn)折點的時間以及滿電量點的時間，制成表格如表4所示。表4也給出了每個點的ACR值。然后，根據(jù)記錄的時間可計算每一溫度下從空電量點到滿電量點的時間，以及從轉(zhuǎn)折點到滿電量點的時間，如表5所示。評估軟件的電量計算法只為3個溫度點的充電數(shù)據(jù)分配了足夠的EEpROM，因此選擇將0°C、20°C及40°C的數(shù)據(jù)寫入器件。

表4.各個溫度下待機空電量點、轉(zhuǎn)折點及滿電量點發(fā)生的時間

Temperature

0

20

40

TimeStamp

ACR

TimeStamp

ACR

TimeStamp

ACR

StandbyEmpty

2:01:00AM

100.5

1:44:11pM

80.69

1:13:26AM

62.38

Break

3:16:05AM

919.06

2:45:07pM

929.95

2:12:41AM

927.97

Full

4:00:59AM

1019.06

3:18:54pM

1031

2:41:34AM

1032.7

表5.估算各個點的充電剩余時間

Temperature

0

20

40

EmptytoFull(minutes)

120

95

88

BreaktoFull(minutes)

45

34

29

Breakpoint(mAhrs)

100

將數(shù)據(jù)寫入器件并啟動電量計量

11.將相應的數(shù)據(jù)寫入器件將表3和表5中的數(shù)據(jù)通過評估板寫入器件。將數(shù)據(jù)手動輸入到packInfo標簽中FuelGaugingData子標簽的文本框，如圖3所示，并點擊Write按鈕(圖中未顯示)。數(shù)據(jù)將被寫入器件的暫存器，并隨后被復制到EEpROM。

圖3.把電量計所需的數(shù)據(jù)導入評估軟件

12.同步ACR準確測量Li+電池電量的最后一步是實現(xiàn)器件的ACR值與電池電量的同步。完成該程的簡單方法是，根據(jù)實際的充電特性曲線對Li+電池充分充電，然后將該溫度的ACR設(shè)置為滿電量點。用評估軟件實現(xiàn)時，先點擊FuelGauging標簽上的StartFuelGauging按鈕啟動電量計量，如圖4所示。充電完成后，點擊FuelGauging標簽中的Full按鈕，即實現(xiàn)ACR與電池電量的同步。

圖4.評估軟件的Fuelguging標簽

有關(guān)電量計數(shù)據(jù)的詳細信息，請參見應用筆記131：Lithium-IonCellFuelGaugingwithDallasSemiconductor

總結(jié)

當對Li+進行電池充放電時，DallasSemiconductor電量計算法可以準確跟蹤電池電量。這需要了解電池電量特性的相關(guān)信息，以及實際應用中電池在各種負載和溫度條件之下所表現(xiàn)的特性。只要使用DallasSemiconductor所提供的評估軟件測量并記錄電池的特性數(shù)據(jù)，就可用電量計準確地估算電池的剩余電量。