便攜式電子設(shè)備依靠電池作為唯一的電源。無論您使用智能手機(jī)、健身追蹤器、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、戶外導(dǎo)航設(shè)備、相機(jī)還是手持收發(fā)器，我們都遇到過意想不到的低電量警告。在大多數(shù)情況下，這樣的警告信息只會(huì)帶來不便，但對(duì)于安全和應(yīng)急設(shè)備來說，后果可能是可怕的。

因?yàn)槲覀兎浅Ｒ蕾囯姵毓╇姷碾娮釉O(shè)備，所以設(shè)備能夠準(zhǔn)確地測(cè)量功率水平至關(guān)重要。早期的電池供電設(shè)備試圖通過電池電壓和負(fù)載電流的組合來確定電池狀態(tài)，但未能考慮電池的充電狀態(tài)。該設(shè)備的電路保護(hù)功能通常包括欠壓切斷功能，該功能可能被過早調(diào)用，導(dǎo)致意外關(guān)閉，這都是因?yàn)殡姵氐某潆姞顟B(tài)未確定。

該博客探討了如何在電池供電設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確測(cè)量電池的充電狀態(tài)。

電量計(jì)電池的充電狀態(tài)

由于電池材料、它們的化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境溫度引入的變量，通過測(cè)量電池電壓來進(jìn)行電量計(jì)量是不可靠的。此外，電池阻抗會(huì)隨著充電狀態(tài)和電池使用年限而變化，從而使精確測(cè)量變得更加復(fù)雜。每種電池類型的化學(xué)成分都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的放電特征，其中一些比其他電池更適合基于電壓的充電狀態(tài)。一些電壓和負(fù)載電流放電曲線非常淺，使得電壓電量計(jì)只能指示 100% 或平坦。

電池充電和放電電流的測(cè)量稱為庫(kù)侖計(jì)數(shù)，是另一種估算充電狀態(tài)的方法?？紤]到電池壽命和自放電特性，庫(kù)侖計(jì)數(shù)法效果很好。

充電狀態(tài)對(duì)安全和消費(fèi)者體驗(yàn)的重要性

隨著越來越精通技術(shù)的消費(fèi)者群體，以高精度確定和顯示電池的充電狀態(tài)是當(dāng)今任何手持消費(fèi)電子設(shè)備成功的關(guān)鍵因素。為了實(shí)現(xiàn)真正準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，許多制造商針對(duì)特定應(yīng)用和用例場(chǎng)景對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行了表征。這會(huì)導(dǎo)致上市時(shí)間延遲，如果不在內(nèi)部執(zhí)行，則需要運(yùn)送給第三方供應(yīng)商。然而，一些電池，例如鋰離子電池，在運(yùn)輸方面受到越來越多的監(jiān)管。該規(guī)定不僅包括處理電池的后勤性質(zhì)，還包括運(yùn)輸時(shí)電池所含的電量。

除了涉及電池運(yùn)輸?shù)牧⒎ㄖ猓谌粘Ｊ褂煤痛鎯?chǔ)期間將相對(duì)不穩(wěn)定的電池（許多能夠提供數(shù)百安培電流）保持在安全運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，還需要將進(jìn)一步的監(jiān)控電子設(shè)備納入設(shè)計(jì)中。售后市場(chǎng)電池供應(yīng)商為節(jié)省成本而不注意電池安全所構(gòu)成的威脅，導(dǎo)致設(shè)備制造商將加密電池認(rèn)證技術(shù)添加到他們的電池和最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

衡量充電狀態(tài)的挑戰(zhàn)

如上所述，要準(zhǔn)確測(cè)量電池的充電狀態(tài)并將其顯示在電量計(jì)上，不僅需要考慮工作功耗，還需要考慮待機(jī)時(shí)的功耗。在運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)過程中，當(dāng)設(shè)備放在櫥柜或“盒子里”時(shí)消耗的靜態(tài)電流也需要考慮。電量計(jì)本身自然會(huì)消耗能量，因此在計(jì)算電池可以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操作設(shè)備時(shí)，需要將這一因素考慮在內(nèi)。作為消費(fèi)者，我們喜歡開箱即用，而不是在使用前先充電。要開箱即用地保持準(zhǔn)確的電量計(jì)指示，需要相關(guān)電路始終處于開啟狀態(tài)。在消費(fèi)者打開盒子并打開產(chǎn)品之前關(guān)閉電量計(jì)意味著充電狀態(tài)指示可能不準(zhǔn)確。請(qǐng)注意，為了運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)期間的安全，如果溫度過高或組件故障導(dǎo)致出現(xiàn)短路情況，則應(yīng)保持電池保護(hù)功能（溫度、電流和電壓監(jiān)控）處于啟用狀態(tài)。

準(zhǔn)確的充電狀態(tài)測(cè)量解決方案

低功耗Maxim Integrated MAX1730x系列的示例 IC 在單個(gè) 3mm x 3mm 封裝中包含電量計(jì)、保護(hù)和身份驗(yàn)證功能。MAX17301 適用于測(cè)量鋰離子或鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，當(dāng)輸出 FET 處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，MAX17301 具有極低的靜態(tài)電流 24μA，在活動(dòng)休眠期間低至 18μA。通過禁用負(fù)載 FET，電流可降至 0.1μA。該 IC 提供全面的電池健康和安全保護(hù)功能，包括過電壓（取決于溫度）、過充電電流、電池欠溫/過溫、欠壓和過放電/短路。MAX1730x 的其他特性包括單線和 I 2C 外設(shè)接口，用于與主機(jī)微控制器通信，以便它可以讀取 MAX1730x 的數(shù)據(jù)和控制寄存器（圖 1）。

圖 1：Maxim Integrated MAX1730x 的功能框圖。（來源：美信集成）

健康狀態(tài)和保護(hù)要求由電池電壓、電流和溫度決定。電池的充電狀態(tài)使用 Maxim 的 ModelGauge m5 算法計(jì)算得出。該算法將電池開路電壓測(cè)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與庫(kù)侖計(jì)數(shù)的線性和準(zhǔn)確性結(jié)合起來。溫度補(bǔ)償算法的額外輸入會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)確的充電狀態(tài)讀數(shù)（圖 2）。該算法計(jì)算電池的開路電壓，即使它正在提供負(fù)載。

圖 2：Maxim MAX1730x 使用 ModelGauge m5 算法計(jì)算校正后的充電狀態(tài)。（來源：美信集成）

MAX1730x 通過電池老化特性和放電率補(bǔ)償電量計(jì)值。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)。該算法還提供充滿電時(shí)間和壽命預(yù)測(cè)功能，以預(yù)測(cè)電池何時(shí)可能因老化和使用而開始失去容量。數(shù)據(jù)記錄功能使用非易失性存儲(chǔ)器在電池壽命期間記錄多達(dá) 13 個(gè)參數(shù)，包括自第一次上電以來的時(shí)間。圖 3說明了 ModelGauge m5 算法的操作。

圖 3：流程圖詳細(xì)說明了 Maxim Integrated ModelGauge m5 算法操作。（來源：美信集成）

結(jié)論

能夠在電量計(jì)中準(zhǔn)確地顯示電池的充電狀態(tài)，而無需耗時(shí)的電池表征對(duì)于任何產(chǎn)品的成功至關(guān)重要。Maxim 的 MAX1730x ModelGauge m5 基于算法的電量計(jì) IC 不僅使這成為可能，而且還通過集成保護(hù)和驗(yàn)證功能節(jié)省了寶貴的電路板空間和材料清單 (BOM)。

Robert Huntley 是一位獲得 HND 資格的工程師和技術(shù)作家。憑借他在電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程方面的背景，他代表 Mouser Electronics 撰寫了各種技術(shù)和實(shí)用文章。

審核編輯黃宇