通过计算库伦量确定电池充电状态

本文作者：

凌力尔特公司

电源产品部

高级产品市场工程师

Steve Knoth

引言

不可再充电电池 (或"主电池") 一度被认为是已经过时的技术，现在正在经历新一轮复兴。尽管这类电池不能重复充电，但是这些主电池 [例如锂亚硫酰氯 (Li-SOCI2) 电池] 仍然可以为用户提供很多好处，包括高能量密度、即时就绪、很低的自放电量、合理的寿命和环保性 (相对容易处置)。在有些应用中，更换电池不切实际、成本太高，或者电池放置位置难以接近，不可再充电电池常常用于这类应用。这类应用包括军用、财产跟踪、远程监视和无线传感器网络。这类电池通常采用各种化学组成，两种最流行的电池是碱性电池和锂电池。

相比之下，可再充电电池 (或"辅助电池") 提供不同的好处 (即使这类电池的初始成本较高)，采用铅酸、镍、锂离子等各种化学组成。这类电池的优点包括可重用性、经济性 (因为充电系统的成本可以分散在很多使用周期中) 和良好的功率密度 (能够快速提供能量)。不过，人们认为这类电池不够环保，而且视系统配置的不同而不同，这类电池有潜在的低能量密度 (将电池电量看作储存的能量) 的缺点。参见图 1。

图 1：可再充电电池与主电池的能量密度比较

(数据来源：Battery University)

部署在遥远地点的应用有一些特点更适合使用主电池，例如在长时间内需要很小的负载电流，给这类应用更换电池成本太高，也不切实际。

需要考虑的主电池运行时间问题

主电池尽管有这么多优点，但还是有一些特性不利于某些应用，尤其是承担不起任何宕机的应用，而主电池如果完全放电，就会引起宕机。在这类应用中，基于电池充电状态 (SoC) 查明剩余运行时间是非常重要的。有些主电池的放电曲线非常平坦，如图 2 所示，例如锂亚硫酰氯电池。

这种特性导致非常难以确定或预测剩余电池电量。

图 2：Tadiran 公司 TL-4930 型号主电池的放电曲线

(数据来源：Tadiran 公司)

理想情况下，通过简单的电池电压测量，应该足以估计电池的充电状态了。但是，平坦的放电曲线意味着，在电池几乎 99% 没电之前，通过测量电池电压，无法推断出很多有关充电状态的任何信息。对很多电池化学组成而言，用这种常见的电压测量方法确定 SoC 都很有效，但是对锂亚硫酰氯电池或其他放电曲线很平坦的电池却不奏效。

另一种估计充电状态的方法是加上一个负载并测量压降，然后比较测得的数据和查阅表中的等效串联电阻 (ESR) 压降，查阅表随电池类型的不同而不同。使这种方法变得复杂的一个因素是，电池 ESR 往往强烈受到温度的影响。因此，为了采用这种方法而甚至使用准确的远程检测也需要精准的认识和测量电池温度。否则就无法区分被观察电池的 ESR 变化是由 SoC 变化导致，还是由温度变化所引起。

另一种间接"测量" SoC的方法是，完备地描述负载的各种条件，然后测量每节电池的总运行时间。例如，很多用户都按照固定的时间表更换所有电池，该时间表对应 40% 的SoC 或某一预定值。但是，这种方法没有最大限度利用电池运行时间。此外，如果发生了电路板故障或其他某种情况，而导致负载比预期高 2 到 3 倍时，那么这种"开环"方法就不管用了，因为电池运行时间会迅速缩短。

相比之下，另一种更加准确的方法是"库伦计数"，这种方法测量流出电池的库伦量。过去，采用库伦计数方法的成本一直很高，所以这种方法很少使用。不过，这种方法非常有效，是惟一能够准确测量从电池流出库伦量的方法。如果电池的初始电量已知，或规定了电池的初始电量，那么剩余电量就可以准确地基于库伦计数确定。

主电池面临的其他挑战

主电池不能接受过大的浪涌电流，但是具备可编程峰值输入电流的 DC/DC 稳压器可以减轻这种限制。此外，主电池有很大的内部电阻，这个特点会导致在负载影响下出现电压急降，因此较轻的负载更适合这类电池。还有，这类电池往往功率密度较低，不能很快提供能量。因此，这类电池更适合长寿命、轻负载的应用情况，而不是需要快的或大的能量突发的应用。最后，运行时吸取过大静态电流的 DC/DC 稳压器 IC 将消耗电池电量，因此对运行时间产生负面影响，这是另一个潜在的系统缺点。为了减轻这些影响，可以使用微功率甚至更好的毫微功率稳压器，以最大限度降低所吸取的电流，并最大限度延长电池运行时间。

降压-升压型稳压器

如今，功能丰富的电子设备之电源轨数量不断增加，同时工作电压在不断下降。不过，很多系统仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 电源轨，以给