高精度 60V 电池电量监测 (上)
《高精度 60V 电池电量监测》系列专辑由两篇文章构成，围绕电池电量监测，主要介绍了 ADI LTC2944 高至 60V 精准库仑计方案，助力打造高性能电池监测系统。
本文《高精度 60V 的精密电池电量监测 (上) 》分享了电池设备的普及性、准确电量监测的重要性以及电量测量的原理。在下一篇《高精度 60V 电池电量监测 (下) 》一文中，将对 LTC2944 的内部结构、工作原理以及具体的库仑计方案进行深入解析。
电池设备的普及应用
从手机电脑、电动自行车、电动工具，再到新能源汽车、医疗仪器、工业设备，电池已经成为越来越多电子产品的标配部件。尤其是轻便的锂离子电池的诞生，让所有设备脱离电源线成为了可能。这些设备可以显示当前的剩余电量或运行时间，这是产品使用中最重要的用户体验之一。
随着时间的推移，我们能够明显感受到，电池始终是会越来越不耐用的。有时候，这会形成一种 “续航焦虑”，例如，虽然设备显示剩余 “10%” 的电量，然而它可能在下一秒就立刻关机了。在很多高功率多电池的设备中，如果用户没有足够及时发现电池电量耗尽，就可能会出现十分危急或严重的后果，例如临床医疗仪器的突然断电会危及病人生命、工厂仪器的突然宕机会造成产线紧急关停。
如下图 (图1) 所示，为某型号锂离子电池的循环寿命与放电深度的关系，可以明显看到，充放电越深度，电池可使用的寿命越短。在日常的产品设计中，我们很难去约束客户的充放电习惯，因此电池寿命往往是不可提前预测的，必须通过行而有效的电气测量手段测量。
如何精准地测量电池剩余电量、预测电池真实续航能力，是电子工程界一直致力解决的技术问题。由于电池是一种不稳定的电化学系统，对它的准确电参数采集就至关重要，实现电量监测功能显然需要精密且专用的模拟电路方案。
高集成化电量监测
除了充电、保护和电池平衡电路外，电池电量测量也是智能多电池系统中常见的功能之一。无论是什么样的电池供电设备，涉及电池的电路系统都面临着一系列独特的设计挑战，因为电池的电气性质总是在变化。例如，电池的最大容量 (也称为健康状态或 SOH) 和自放电速率总是随着时间的推移而降低，而充电和放电速率也会随着温度的变化而变化。精心设计的电池系统可以不断地动态处理这些参数变化，以便为使用者提供一致且准确的电池性能变现参数。对应到实际体验中，我们就可以准确输出一些指标，让产品更具 “高级感”，包括：
- 当前剩余充电时间
- 当前系统续航时间
- 预期电池寿命 (或剩余充电次数)
从目前电子行业的主流技术来看，准确的电池电量测量功能，需要一个精准的电池库仑计 IC 和相关的电池专用模型，最终系统是需要形成一个关键参数——荷电状态 (SOC)。SOC 是指电池使用一段时间或长期搁置不用后，剩余容量与其全新且完全充电状态时的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之间。我们可以简单地理解为，SOC 是当前电池容量占最大容量的百分比。虽然市面上有一些电量计 IC 集成了电池模型和算法，甚至直接输出 SOC 的值，但仔细分析就会发现，这些 IC 往往会以牺牲准确性为代价，以简化 SOC 的估计算法。
如下图 (图2) 所示为 ADI 的一款型号 LTC2944 的库仑计，它可以支持到最高 60V 的电池电压，它提供的是最基本的精准库仑计方案，再由用户根据实际使用的电池模型进行电量估计运算，实现电量计功能。这是一种严谨的技术提供方式，将不确定因素开放给用户，以更自由地使用器件，兼容更多高精确度应用，下篇文章中将进行进一步探讨。
电量测量的原理
目前的研究表明，精确的库仑计数、电压、电流和温度是准确估计 SOC 的先决条件，迄今为止，行业内能够做到的 SOC 估计误差最小为 5%。如下图 (图3) 所示是各种电池的典型充放电曲线，在传统的电压型电量估计方法中，最困难之处就在平坦充放电区间的电量估计，因为这时电池电量的变化只会带来很小电压变化，于是会出现系统在很长一段时间内报告 75% 的 SOC，然后却突然下降到 15% 的 SOC。
库伦计数的方式，能够很精确地确定当前电池处于曲线哪个位置，尤其是平坦区的位置。具体的方法是：
- 当电池充满电时，用户将库仑计数器初始化为已知的电池容量。
- 在释放库仑时递减计数或在充电库仑时递增计数 (能适应只充一部分电的情况)。
这种方案最大的优势在于，这种电量计算方式不需要知道电池的化学成分。由于 ADI LTC2944 集成了库仑计数器，因此这款 IC 可以轻松地用于多种电池设备，与电池的化学性质无关。
在电路系统得到库伦计数数据之后，软件算法上，要根据电池模型进行数学换算，以确定 SOC 的值，如下图 (图4) 所示的是一种经典的电池模型，涉及到串联并联的多个参数，实际上，这里还没有考虑比较重要的温度参数影响。模型分析与换算的方法是专业领域知识，在此不进行赘述，但可以确定的是，这个模型最基本要获知的就是电压、电流以及库仑计数的参数数据。若您对此技术感兴趣，希望进一步了解和讨论，可以联系骏龙科技的技术人员。
本文提到的 LTC2944 能够以行业内最高精度的水平，提供这些数据，作为用户进一步算法的支撑，那么 LTC2944 的工作原理是什么？又如何保证高精度？这些内容将会在下篇文章《高至 60V 的精密电池电量监测(下)》中详细论述。
总结
电池已经无处不在，而设计出优秀使用体验感的电池系统是非常有挑战的工作。从电池真实剩余容量角度出发，目前电子行业内最准确的检测方法是基于库仑计原理，这涉及到多种参数的采集和专业的模型换算，然而，这一切的基础是提供精准的电压电流、工作温度、库仑计数参数。本文提出的 LTC2944 的高性能方案，能够实现这些基础参数，为用户打造高性能电池监测系统奠定坚实基础。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料
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