高准确度 60V 电量计如何测量电量？

本文作者

Christopher Gobok

凌力尔特公司(现隶属 Analgo Devices 公司)

高级产品市场工程师

引言

我们很多人都会用到电池供电设备，这类设备会显示当前还有多少电量或运行时间，特别是因为，我们被家里的众多小器具所包围。从电动刮胡刀到平板电脑，我们依靠各种各样的电池电量指示器，帮助确定是否以及怎样继续使用这些设备。随着时间流逝，我们对每种设备的准确度水平也有点熟悉了，而且知道对设备报告的数字信赖到什么程度，例如剩余 10% 电量。在较大功率的多节电池应用中，如果用户发现没有充足的电量，情形可能更加紧急，例如使用电动自行车、电池备份系统、电动工具或医疗设备等情况。备用电池组也许并不总是现成可用，或者设备需要在特定的时长内连续运行，因此我们会重视准确的电池电量测量，或者重视评估在某一时刻电池或电池组还有多少电量。

除了充电、保护和电池电量平衡电路，电池电量测量一般也是智能化多节电池系统中会有的多种功能之一。不管提供什么功能，电池系统都面对一套独特的设计挑战，因为电池的电气特性始终处于变化之中。例如，电池的最大容量 (也称为健康状态或 SOH)和自放电速率始终随时间流逝而降低，同时充电和放电速率随温度改变而变化。设计良好的电池系统尽可能多地连续应对这类参数漂移，以向最终用户提供准确度一致的电池性能标准，例如充电时间、估计电量或预期电池寿命 (或剩余充电次数)。

简言之，准确的电池电量测量需要准确的电池电量计 IC 和一个相关和针对电池的模型，以最终为系统提供人们最渴望的电池电量测量参数─充电状态 (SOC)，或者以最大容量的百分数表示的当前电池电量。尽管市场上有集成了电池模型和算法以直接估计 SOC 的电池电量计，但是经过抽丝剥茧，我们发现，这类设备的 SOC 估计方法往往过于简化，代价是极大地损害了准确度。此外，这类设备通常仅适用于特定的电池化学组成，需要额外的外部组件以连接高电压。现在来看一下图 1 所示的凌力尔特 LTC2944，这是一款简便的 60V 电池电量计，专门为准确测量单节或多节电池的电量提供了最基本的功能。

图 1：LTC2944 60V 电池电量计

依靠库伦计数

目前的研究显示，精确的库伦计数以及精确的电压、电流和温度是准确估计 SOC 的前提条件，迄今为止在这样的前提条件下，所产生的最低误差为 5%。这些参数使我们能够准确地确定电池位于充电或放电曲线的哪一点上，这时库伦计数不仅使电压读数更可靠，而且有助于区分曲线的任何平坦区域。图 2 显示了不同电池化学组成的典型放电曲线。库伦计数有助于避开以下情形：设备长时间误导性地报告 75% SOC，然后突然降至 15% SOC。这种情形往往发生在仅通过测量电压来估算 SOC 的设备中。为了对库伦计数，用户要将库伦计数器初始化至一个已知的、电池满充电时的电池容量，然后当放电时倒计数，或充电时正计数 (以解释部分充电)。这种方法的优势是，电池化学组成不必是已知的。因为 LTC2944 集成了一个库伦计数器，所以这款器件可以非常方便地复制和粘贴到多种设计中，而不受电池化学组成的影响。

图 2：不同电池化学组成的典型放电曲线

我们来看一下图 3 中 LTC2944 怎样对库伦计数。请记住，电量是电流对时间的积分。LTC2944 通过监视检测电阻器两端呈现的电压，以高达 99% 的准确度测量电量，检测电压范围为±50mV，这里差分电压加到一个自动调零的差分模拟积分器上以计算电量。当积分器输出斜坡变化到高基准电平和低基准电平 (REFHI 和 REFLO) 时，开关切换以改变斜坡方向。然后控制电路观察开关状态和斜坡方向以确定极性。接下来，可编程预分比例器允许用户按照 1 至 4096 的因子增加积分时间。随着预分比例器每次下溢或上溢，累积电量寄存器 (ACR) 最终递增或递减一个数。

图 3：LTC2944 以高达 99% 的准确度测量电量

值得一提的是，LTC2944 的库伦计数器中使用的模拟积分器引入的差分偏移电压最小，因此最大限度减小了对总体电量误差的影响。很多库伦计数电池电量计对检测电阻器两端的电压进行模数转换，并累积转换结果以计算电量。在这种方法中，差分偏移电压可能是主要的误差源，尤其是在获取小信号读数时。例如，考虑一个电池电量计，该电量计采用基于 ADC 的库伦计数器，最大规定差分电压偏移为20µV，当以数字方式对 1mV 输入信号进行积分时，偏移导致的电量误差会是 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模拟积分器时