一種提升電池電量檢測精度的方法

宋志超

摘 ? 要：隨著便攜設(shè)備的普及，越來越多的設(shè)備自帶電池。由于市場競爭激烈，降低成本才能贏得市場。比如，前幾年流行的手環(huán)，一年出貨量在10億個，成本越做越低。對于此類產(chǎn)品的電量檢測非常重要，但并不需要非常高的精度，小于3%便能滿足要求。而且電量檢測的成本越低越好。文章介紹了一種比較簡單的電量檢測方法，精度能達(dá)到1%，非常適合成本敏感的方案需求。

關(guān)鍵詞：電量檢測;鋰電池;精度

1 ? ?鋰電池的構(gòu)造

所謂鋰離子電池是指分別用2個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的、具有獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。以下以LiCoO2為例進(jìn)行分析。

（1）電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對鋰而言電位大于3 V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4。

（2）負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素和金屬氧化物等，包括SnO，SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz[x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=（2+3x+5y）/2]等。

從鋰離子電池的內(nèi)部構(gòu)造上，可以知道，它的充放電是非線性的，圖1是某款電池的充放電曲線示意。從充放電曲線可知，充電與放電的曲線是不重合的，而且充電量在85%的時(shí)候，是恒壓的。

2 ? ?目前常用的電量檢測方法

2.1 ?電壓測量法

電壓測量法，是通過檢測電池電壓，通過電壓與電量的對應(yīng)關(guān)系，直接估計(jì)電池電量的方法。該方法只需要一個普通的數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）采集電壓便能實(shí)現(xiàn)，成本最低，最容易實(shí)現(xiàn)。但通過圖1可以知道，電池電壓的充放電曲線是不一樣的，無法統(tǒng)一。另外，在實(shí)際使用過程中，ADC采集的電壓是波動的，所以，此方法的測量精度在20%左右，適用于電池電量指示不高的場合。充電曲線在80%電量時(shí)，電壓保持不變，電壓測量法無法使用。

2.2 ?電流測量法

電流測量法，是通過在電池輸出端串入一顆測量電阻，通過測量電阻的壓降從而計(jì)算出電流，再通過電流的積分，計(jì)算出目前電池的容量。相對電壓測量法，此方法精度稍高，但需要相對準(zhǔn)確的初始值，一般此法會結(jié)合電壓測量法一起使用。此方法需要兩路ADC和精密電阻，成本稍高。

2.3 ?庫侖計(jì)測量法

庫倫計(jì)跟電流測量法有點(diǎn)類似，但一般廠家集成在一個芯片上。庫侖計(jì)是在電池的正極和負(fù)極串如一個電流檢查電阻，當(dāng)有電流流經(jīng)電阻時(shí)就會產(chǎn)生Vsense，通過檢測Vsense就可以計(jì)算出流過電池的電流。其測量精度可達(dá)1%，可降低電池老化等物理因素對測量結(jié)果的影響。但缺點(diǎn)是成本比較高，并且如果長期不使用，電池內(nèi)部自放電導(dǎo)致的電量損失，會使庫侖計(jì)變得不準(zhǔn)確。

3 ? ?鋰電池充電的4個階段

鋰電池充電一般分為4個階段：涓流充電、恒流充電、恒壓充電、充電終止。

3.1 ?涓流充電

涓流充電是指，當(dāng)鋰電池過放電的時(shí)候（電壓低于3 V），電池會處于保護(hù)狀態(tài)，使用預(yù)設(shè)電流的十分之一進(jìn)行預(yù)充電，一直到電壓高于3 V，恢復(fù)電池單元的正常狀態(tài)。

3.2 ?恒流充電

當(dāng)電壓恢復(fù)到一定閾值的時(shí)候，電池進(jìn)入正常狀態(tài)。此時(shí)，可以提高電流到設(shè)定值，進(jìn)行恒流充電，此時(shí)電壓會一直上升。單節(jié)電池在此階段的電壓范圍為3～4.2 V。

3.3 ?恒壓充電

當(dāng)恒流充電到4.2 V時(shí)，電池充電會進(jìn)入恒壓狀態(tài)。此時(shí)，電流會持續(xù)下降，直到為原設(shè)定值的十分之一時(shí)（一般充電IC做法），會終止充電。

3.4 ?充電終止

當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2 V，并且恒壓充電到電流為設(shè)定值的十分之一，或者到達(dá)設(shè)定的充電時(shí)間，充電便會終止。

4 ? ?提升電壓檢測法精度的方法

考慮到電壓檢測法成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種精度能提升到1%的電壓電量檢測法，該方法會有很大的競爭力。但該方法存在的問題也不容忽視，文章分析了電壓檢測法所面臨的問題。

4.1 ?電壓法測量的波動

電池在系統(tǒng)工作過程中，由于系統(tǒng)負(fù)載的變化，ADC采集的電壓必然會產(chǎn)生波動，如圖2所示。如負(fù)載變動劇烈，波動有可能更大。一般的濾波法也很難保證檢測穩(wěn)定。

4.2 ?充放電轉(zhuǎn)換電壓跳動

因?yàn)槌浞烹娗€的不一致，電池電壓在充電和放電轉(zhuǎn)換過程中（比如在插入或者拔出充電器的時(shí)候），電壓會有跳躍，如：從3.16 V跳到3.24 V。如果用電壓測量法的話，會造成比較大的偏差。

4.3 ?電池恒壓充電

當(dāng)電池處于恒壓充電階段時(shí)，電池電壓不變，這時(shí)電壓檢測法就不能使用了，必須要通過一些輔助方法來判斷何時(shí)應(yīng)該充電結(jié)束。

5 ? ?解決問題的方法

5.1 ?解決電壓波動的方法

傳統(tǒng)去波動的方法，就是通過數(shù)字濾波。但是不管階數(shù)設(shè)到多少，都很難完全濾平直，都會有波動。根據(jù)電池充電和放電的特點(diǎn)，此處提出一種類似二極管的方法，充電的時(shí)候電壓肯定是提升的，所以當(dāng)充電場景時(shí)，只采集比當(dāng)前電壓高的值，去掉比當(dāng)前電壓低的值。當(dāng)大于當(dāng)前電壓的次數(shù)多于設(shè)定值時(shí)，電壓增加1%。此設(shè)定值根據(jù)電池的特性來評估，不同電芯，設(shè)定值不一樣。相反，當(dāng)放電場景時(shí)，只采集比當(dāng)前電壓低的值，去掉比當(dāng)前電壓高的值。當(dāng)小于當(dāng)前電壓的次數(shù)多于設(shè)定值時(shí)，電壓減少1%。通過此方法，可以解決電壓波動的問題。

5.2 ?解決充放電轉(zhuǎn)換電壓跳動

當(dāng)設(shè)備插入充電器的時(shí)候，檢測的電池電壓會被充電器抬升，此時(shí)檢測的電池電壓是充電器的電壓而不是電池的實(shí)際電壓。

我們引入遲滯法來消除充電器插入拔出過程中造成的跳動。每次以一定的時(shí)間來采樣電壓，然后跟前一次電壓比較，如果比前一次電壓值要大，那么計(jì)數(shù)器增加1，如果小，則計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定的值時(shí)（比如10），電池輸出的電壓值做改變。舉個例子：當(dāng)前電池電壓值為3.8 V，此時(shí)插入充電器，ADC在電池端采集到的電壓為4.0 V（因?yàn)楸怀潆娖魉覀儺?dāng)然不能直接以4.0 V作為此時(shí)的電池電壓。ADC每隔8 s采樣一次，如果比3.8 V要高，那么計(jì)數(shù)器a加1，如果連續(xù)10次都比3.8 V大，那么當(dāng)前電壓刷新為3.9 V。此時(shí)便完成一次電量更新。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)整采樣的間隔或者計(jì)數(shù)器的次數(shù)來決定電量檢測的精度。

5.3 ?電池恒壓充電

此階段為圖 2 顯示的恒壓充電階段，當(dāng)電池恒壓充電的時(shí)候，電流會慢慢減少，充電的電壓值為4.2 V，ADC不管如何采集，電壓都不變，此時(shí)不能簡單認(rèn)為電量已充滿，必須要根據(jù)不同的電池曲線，選擇不同的恒壓充電時(shí)間。此時(shí)只需要把采集的計(jì)數(shù)器閾值按照恒壓充電時(shí)間設(shè)置便可。

6 ? ?測試結(jié)果

經(jīng)測試此方法能提升電池電量檢測精度到1%，而且體驗(yàn)良好，電量顯示不會出現(xiàn)波動，完全能滿足簡單的便攜設(shè)備使用需求。

7 ? ?結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的提升電池電量檢測精度的方法，只需要一個ADC便可實(shí)現(xiàn)1%精度的電池電量檢測。非常適合用于成本敏感，而且又需要精度高的電池電量檢測。實(shí)驗(yàn)方法簡單，算法調(diào)整靈活，對于單節(jié)和多節(jié)電池均適用。

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