通過計算庫倫量確定電池充電狀態(tài)

1、通過計算庫倫量確定電池充電狀態(tài) 不可再充電電池（或“主電池”）一度被認(rèn)為是已經(jīng)過時的技術(shù)，現(xiàn)在正在經(jīng)歷新一輪復(fù)興。盡管這類電池不能重復(fù)充電，但是這些主電池例如，鋰亞硫酰氯（li-so ci2）電池仍然可以為用戶提供很多好處，包括高能量密度、即時就緒、很低的自放電量、合理的壽命和環(huán)保性（相對容易處置）。在有些應(yīng)用中，更換電池不切實際、成本太高，或者電池放置位置難以接近，不可再充電電池常常用于這類應(yīng)用。這類應(yīng)用包括軍用、財產(chǎn)跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)視和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這類電池通常采用各種化學(xué)組成，兩種最流行的電池是堿性電池和鋰電池。 相比之下，可再充電電池（或“輔助電池”）提供不同的好處（即使這類電池的初始成

2、本較高），采用鉛酸、鎳、鋰離子等各種化學(xué)組成。這類電池的優(yōu)點包括可重用性、經(jīng)濟(jì)性（因為充電系統(tǒng)的成本可以分散在很多使用周期中）和良好的功率密度（能夠快速提供能量）。不過，人們認(rèn)為這類電池不夠環(huán)保，而且視系統(tǒng)配置的不同而不同，這類電池有潛在的低能量密度（將電池電量看作儲存的能量）的缺點（見圖1）。 部署在遙遠(yuǎn)地點的應(yīng)用有一些特點更適合使用主電池，如在長時間內(nèi)需要很小的負(fù)載電流，給這類應(yīng)用更換電池成本太高，也不切實際。 需要考慮的主電池運行時間問題 主電池盡管有這么多優(yōu)點，但還是有一些特性不利于某些應(yīng)用，尤其是承擔(dān)不起任何宕機(jī)的應(yīng)用，而主電池如果完全放電，就會引起宕機(jī)。在這類應(yīng)用中，基于電池充電狀

3、態(tài)（soc）查明剩余運行時間是非常重要的。有些主電池的放電曲線非常平坦，如圖2所示，例如鋰亞硫酰氯電池。 這種特性導(dǎo)致非常難以確定或預(yù)測剩余電池電量。 理想情況下，通過簡單的電池電壓測量，應(yīng)該足以估計電池的充電狀態(tài)了。但是，平坦的放電曲線意味著，在電池幾乎99%沒電之前，通過測量電池電壓，無法推斷出很多有關(guān)充電狀態(tài)的任何信息。對很多電池化學(xué)組成而言，用這種常見的電壓測量方法確定soc都很有效，但是對鋰亞硫酰氯電池或其他放電曲線很平坦的電池卻不奏效。 另一種估計充電狀態(tài)的方法是加上一個負(fù)載并測量壓降，然后比較測得的數(shù)據(jù)和查閱表中的等效串聯(lián)電阻（esr）壓降，查閱表隨電池類型的不同而不同。使這種方

4、法變得復(fù)雜的一個因素是，電池esr往往強(qiáng)烈受到溫度的影響。因此，為了采用這種方法而甚至使用準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程檢測也需要精準(zhǔn)的認(rèn)識和測量電池溫度。否則就無法區(qū)分被觀察電池的esr變化是由soc變化導(dǎo)致，還是由溫度變化所引起。 另一種間接“測量”soc的方法是，完備地描述負(fù)載的各種條件，然后測量每節(jié)電池的總運行時間。例如，很多用戶都按照固定的時間表更換所有電池，該時間表對應(yīng)40%的soc或某一預(yù)定值。但是，這種方法沒有最大限度利用電池運行時間。此外，如果發(fā)生了電路板故障或其他某種情況，而導(dǎo)致負(fù)載比預(yù)期高23倍時，那么這種“開環(huán)”方法就不管用了，因為電池運行時間會迅速縮短。 相比之下，另一種更加準(zhǔn)確的方法是

5、“庫倫計數(shù)”，這種方法測量流出電池的庫倫量。過去，采用庫倫計數(shù)方法的成本一直很高，所以這種方法很少使用。不過，這種方法非常有效，是唯一能夠準(zhǔn)確測量從電池流出庫倫量的方法。如果電池的初始電量已知，或規(guī)定了電池的初始電量，那么剩余電量就可以準(zhǔn)確地基于庫倫計數(shù)確定。 主電池面臨的其他挑戰(zhàn) 主電池不能接受過大的浪涌電流，但是具備可編程峰值輸入電流的dc/dc穩(wěn)壓器可以減輕這種限制。此外，主電池有很大的內(nèi)部電阻，這個特點會導(dǎo)致在負(fù)載影響下出現(xiàn)電壓急降，因此較輕的負(fù)載更適合這類電池。還有，這類電池往往功率密度較低，不能很快提供能量。因此，這類電池更適合長壽命、輕負(fù)載的應(yīng)用情況，而不是需要快的或大的能量突發(fā)

6、的應(yīng)用。最后，運行時吸取過大靜態(tài)電流的dc/dc穩(wěn)壓器ic將消耗電池電量，因此對運行時間產(chǎn)生負(fù)面影響，這是另一個潛在的系統(tǒng)缺點。為了減輕這些影響，可以使用微功率甚至更好的毫微功率穩(wěn)壓器，以最大限度降低所吸取的電流，并最大限度延長電池運行時間。 降壓-升壓型穩(wěn)壓器 如今，功能豐富的電子設(shè)備之電源軌數(shù)量不斷增加，同時工作電壓在不斷下降。不過，很多系統(tǒng)仍然需要3v、3.3v或3.6v電源軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、i/o和邏輯電路供電。過去，這些電壓軌一直由降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器（ldo）提供。然而，這類ic沒有充分利用電池的全部工作范圍，因此縮短了設(shè)備電池的可能運行時間。因

7、此，使用降壓升壓型轉(zhuǎn)換器（可以將電壓提高或降低）時，就允許利用電池的全部工作范圍。這提高了運行裕度，延長了電池運行時間，因為更多的電池可用電量得到了利用，尤其是靠近電池放電曲線的較低端時。 具備庫倫計數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 顯然，滿足主電池系統(tǒng)應(yīng)用需求并能夠解決上述問題的dc/dc轉(zhuǎn)換器解決方案應(yīng)該具備以下特性： 1）降壓-升壓型dc/dc架構(gòu)，具備很寬的輸入電壓范圍，通過各種電池供電電源、在與電源相關(guān)的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)vout。 2）在運行模式和停機(jī)模式均具備超低靜態(tài)電流以延長電池運行時間。 3）能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電。 4）能夠準(zhǔn)確地計算庫倫量以確定電池充電狀態(tài)，且不會顯著影響ic靜態(tài)電

8、流（電池消耗）。 5）電流限制以衰減浪涌電流，從而保護(hù)電池。 6）尺寸小、重量輕和扁平的解決方案。 7）先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間利用率。 幸運的是，ltc3335就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫倫計數(shù)器的毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件為主電池應(yīng)用而設(shè)計，這類應(yīng)用需要真正的低靜態(tài)電流，還需要知道有關(guān)剩余電池電量的信息。或者需要知道庫倫計數(shù)器檢測到的潛在電池組件或負(fù)載泄漏達(dá)到什么程度，才可以確認(rèn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障（見圖3）。 ltc3335是一款高效率同步降壓升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，可提供高達(dá)50ma的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為680na的靜態(tài)電流和從低至5ma到高達(dá)250

9、ma的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備和iot（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備中的那類電池應(yīng)用。其1.85.5v輸入范圍和8個1.85v的用戶可選輸出提供了一個穩(wěn)定的輸出電源，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出。此外，該器件集成了精確的（電池放電測量準(zhǔn)確度為5%）庫倫計數(shù)器，在長壽命不可再充電電池供電應(yīng)用中，可準(zhǔn)確監(jiān)視累計電池放電量，這類電池供電應(yīng)用很多都有極度平坦的電池放電曲線。典型應(yīng)用包括無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和凌力爾特dustnetworks smartmesh系統(tǒng)。ltc3335包括4個內(nèi)部低rdson mosfet，可提供高達(dá)90%的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、用于庫倫計數(shù)和器件設(shè)定的i2c接口、一個電源良好輸出、以及8個從5250ma的可選峰值輸入電流，以適合多種類型和尺寸的電池。ltc3335的工作結(jié)溫范圍為-40+125，采用耐熱增強(qiáng)型20引線3mm4mm qfn封裝。圖4顯示了一個典型的應(yīng)用電路。 結(jié)論 可再充電“輔助”電池可以在大量應(yīng)用中見到，不過對不可再充電主電池應(yīng)用出現(xiàn)了復(fù)蘇的需求，例如軍用、遠(yuǎn)程監(jiān)視或無線傳感器系統(tǒng)。主電池有很