一種測(cè)量便攜式設(shè)備電池剩余電量的精密算法-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種測(cè)量便攜式設(shè)備電池剩余電量的精密算法-設(shè)計(jì)應(yīng)用一、前言

在過去的幾年里，諸如筆記本電腦、手機(jī)以及多媒體播放器等便攜式設(shè)備的數(shù)量顯著增長。這些具有更多特性與功能的設(shè)備要求更高的電量，所以電池必須能夠提供更多的能量以及更長的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于電池供電的系統(tǒng)而言，的挑戰(zhàn)在于電池的運(yùn)行時(shí)間。通常，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常將注意力集中在提高DC/DC電源轉(zhuǎn)換效率，以此來延長電池的運(yùn)行時(shí)間，而往往會(huì)忽略與電源轉(zhuǎn)換效率和電池容量同等重要的電量監(jiān)測(cè)計(jì)"style="color:blue;text-decoration:underline"title="電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)"電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的度問題。如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的誤差范圍是±10%，那么就會(huì)有相當(dāng)于10%的電池容量或運(yùn)行時(shí)間被損失掉。然而，電池的可用電量與其放電速度、工作溫度、老化程度以及自放電特性具有函數(shù)關(guān)系。此外，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)還要求對(duì)電池進(jìn)行完全充電和完全放電以更新電池容量，但是這在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中很少發(fā)生，因而造成了更大的測(cè)量誤差。因此，在電池運(yùn)行周期內(nèi)很難預(yù)測(cè)電池剩余容量及工作時(shí)間。

使用便攜式電子產(chǎn)品，希望能夠隨時(shí)知道電池的所剩電量，所能持續(xù)的工作時(shí)間，并且據(jù)此調(diào)節(jié)相關(guān)應(yīng)用，這無疑將是一個(gè)非常方便的事情，尤其適合使用智能手機(jī)的商務(wù)人士。電池電量檢測(cè)技術(shù)在筆記本電腦中已經(jīng)屢見不鮮，多數(shù)筆記本電腦都有電源管理的選項(xiàng)，提供不同的電源工作模式以及電池報(bào)警功能。但是在更加小型化的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)，這一技術(shù)卻還不多見。

便攜式產(chǎn)品提供的功能越來越紛繁，用戶日益需要準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池電量，以便靈活管理可用電源，明確顯示剩余工作時(shí)間，盡可能延長系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。現(xiàn)在大多數(shù)手機(jī)采用的電量測(cè)量方法還比較簡(jiǎn)單，缺乏度。目前主流的檢測(cè)方法是簡(jiǎn)單測(cè)量電池電壓，估算相對(duì)應(yīng)的電池剩余電量。總電量除以4或5，也就是通常能在手機(jī)屏幕上看見的4格或者5格的電量Bar，所以每格的度即是25%或者20%，這樣的精度顯然無法滿足高精度要求的應(yīng)用。

這種電壓估測(cè)電量的方法通常如下：一塊電池在放電的時(shí)候，電池的電壓會(huì)隨著電池電量的流失逐漸地下降。這樣就可以得到一個(gè)比較簡(jiǎn)單而有效的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是電壓對(duì)應(yīng)容量。通過電池正常使用（比如100mA放電）的放電曲線，對(duì)時(shí)間進(jìn)行4等分，以充電限制電壓為4.2V的鋰電池為例，可以列出這樣一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，4.20V—100%，3.85V—75%，3.75V—50%，3.60V—25%，3.40V—5%（因?yàn)槭謾C(jī)不可能完全用光電池的電量，一般低于3.40V時(shí)就可能自動(dòng)關(guān)機(jī)了）。很顯然，這種精度只有25%。另外，電池電壓會(huì)隨著RFPA的功率發(fā)射發(fā)生突變，通常會(huì)變小0.2V-0.3V。如果一味的使用電壓模擬電量方法，就會(huì)誤差更大。為了解決電池電壓突然變小的測(cè)量問題，當(dāng)前工程師們的普遍方法是利用軟件算法進(jìn)行均值濾波，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的電池電壓進(jìn)行均值化，如果該時(shí)間段的平均電池電壓確實(shí)下降了，則預(yù)估電量確實(shí)變少了，否則即認(rèn)為電量并未變化。

電池電壓模擬剩余電量的方法確實(shí)存在著缺陷，而通過庫侖計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池消耗電量而計(jì)算剩余電量的方法則非常準(zhǔn)確。Fairchild的FAN4010是這種應(yīng)用的典型器件。它是一顆電流檢測(cè)傳感器，專門用于檢測(cè)便攜式設(shè)備電池的充電/耗電電流，能將通過精密檢測(cè)電阻的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC可以檢測(cè)到的電壓信號(hào)，從而計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)消耗的真實(shí)電量。

二、硬件電路的典型設(shè)計(jì)

為了滿足高精度的電池電量監(jiān)測(cè)需求，F(xiàn)AN4010外加合適的應(yīng)用電路并加上特定的軟件控制算法，就能夠很好的達(dá)到要求。如圖1是FAN4010的典型應(yīng)用框圖。外圍只需要兩個(gè)電阻Rsense、Rout即構(gòu)成高精度的放大電路。如圖2是內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖，所以存在Vsense=I_load*Rsense,Vout=0.01*Vsense*Rout，由此兩關(guān)系式可以等到I_load=100*Vout/（Rout*Rsense），所以只要用ADC監(jiān)測(cè)Vout上的電壓，再除以已知的電阻值Rout和Rsense，就可以得到準(zhǔn)確的負(fù)載消耗電流，而電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，即可以達(dá)到所消耗的電量準(zhǔn)確值。用總電量減去準(zhǔn)確的電量消耗值，即可得到準(zhǔn)確的剩余電量。充電電路，則同理。

圖1FAN4010的應(yīng)用框圖

圖2FAN4010的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理示意圖

FAN4010的典型應(yīng)用圖以及Rsense、Rout的選值要求如下。其中圖3為電池的充電電路，圖4為電池的放電電路。

圖3充電部分的參考原理圖

圖4放電部分的參考原理圖

Rsense（R_sense1/R_sense2）

這兩個(gè)電阻串聯(lián)在充電和放電的路徑上。因此，我們需要一個(gè)低阻值的電流采樣電阻。矛盾的是，如果Rsense太低，精度都將丟失。若Rsense選擇的過大，則此電阻上的壓降和功耗都很大。因此，Rsense的選擇應(yīng)該是理想的高度和所能允許電壓損失的綜合平衡。雖然FAN4010在Vsense值較低時(shí)采樣電阻上的功耗，但是一個(gè)更大的Rsense值能提供更多的準(zhǔn)確性。然而較大的Rsense會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的電壓降，減少了可提供給負(fù)載的有效電壓，這在低電壓尤其電池供電的應(yīng)用中會(huì)很有麻煩。正因?yàn)槿绱耍O(shè)計(jì)中要很好地了解預(yù)期的允許負(fù)載電流和負(fù)載供電電壓。為了獲得化的精度，建議Rsense的選擇應(yīng)符合以下條件：10mVVsense200mV。

Rout（R_out1/R_out2）

接到GND上的Rout這個(gè)電阻，是用來產(chǎn)生一個(gè)可供ADC檢測(cè)到的電壓信號(hào)。它的選擇主要取決于兩個(gè)參數(shù)：I_out（即I_load*Rsense/100）以及ADC的電壓采樣范圍。的I_load產(chǎn)生的Vout不能超過ADC的采樣電壓。為了保證精度化，同時(shí)又希望的Vout能盡量接近ADC的采樣量程。

另外，為了保證FAN4010的線性化，Rout的選擇應(yīng)滿足關(guān)系式：

其中Vin為輸入電壓，Iout_fs的值則是表1中的對(duì)應(yīng)值，在不同的Vsense時(shí)，其值不一樣。例如，若的Vsense為500mV時(shí)，則Iout_fs=5mA。

Table.1Iout_FS的選值表

Layout設(shè)計(jì)圖例如圖5，走線的基本原則是：FAN4010盡量靠近充電/放電路徑。

圖5layout實(shí)例

三、解決方案

當(dāng)前用于電池電量監(jiān)測(cè)的常見技術(shù)就是庫侖計(jì)數(shù)算法，或?qū)α魅牒土鞒鲭姵氐碾娏鬟M(jìn)行積分的算法。對(duì)于剛剛充滿電量的新電池而言，這種方法非常有效。但是，隨著電池老化和自放電，這種方法就顯得不那么有效了。沒有辦法測(cè)量自放電速度，因此通常用一個(gè)預(yù)定義的自放電速度公式來對(duì)其進(jìn)行校正。這種方法不是很，因?yàn)殡姵氐淖苑烹娝俣雀鞑幌嗤乙粋€(gè)模型不能適用于所有的電池。

庫侖計(jì)數(shù)算法的另一個(gè)弊端在于只有在完全充電以后立即進(jìn)行完全放電，才能對(duì)電池的總?cè)萘窟M(jìn)行更新，而便攜式設(shè)備的用戶很少對(duì)電池進(jìn)行完全放電，因此，實(shí)際電量在完成更新之前可能會(huì)被大大降低。

第二種方法是利用電池電壓與充電狀態(tài)（Stafusofcharging）之間的相互關(guān)系進(jìn)行電池電量監(jiān)測(cè)。這種方法看起來比較直觀，但是只有當(dāng)未對(duì)電池接入負(fù)載電流時(shí)，電池電壓才與SOC或電池電量具有很高的關(guān)聯(lián)性。這是因?yàn)槿绻尤肓艘粋€(gè)負(fù)載電流，那么電池內(nèi)部阻抗兩端就會(huì)有一個(gè)壓降。溫度每下降100℃，電池阻抗就會(huì)提高1.5倍。此外，當(dāng)電池老化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與阻抗有關(guān)的重大問題。一個(gè)典型的鋰離子電池在完成100次充放電周期以后，其直流阻抗會(huì)增加一倍。，該電池對(duì)階躍負(fù)載變化會(huì)有一個(gè)非常大的時(shí)間常數(shù)瞬態(tài)響應(yīng)。在接入負(fù)載以后，電池電壓會(huì)隨著時(shí)間的變化以不同的速度逐漸下降，并在去除負(fù)載以后逐漸上升。僅僅在其完成15%的標(biāo)準(zhǔn)的充放電周期（500個(gè)）以后，對(duì)于全新電池而言，非常有效的電壓算法就可能會(huì)引起50%的誤差。

四、基于阻抗跟蹤技術(shù)的電池電量監(jiān)測(cè)

通過上述敘述可以看出，無論是庫侖計(jì)數(shù)算法還是基于電池電壓相關(guān)算法的電池電量監(jiān)測(cè)，要想實(shí)現(xiàn)1%的電池容量估計(jì)都是不可能的。因此，TI開發(fā)出了一種全新電池電量監(jiān)測(cè)算法——阻抗跟蹤技術(shù)，該技術(shù)綜合了基于庫侖計(jì)數(shù)算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)筆記本電腦處于睡眠或關(guān)機(jī)模式時(shí)，其電池及電池組處于沒有負(fù)載的空閑狀態(tài)。這時(shí)在電池開路電壓（OCV）和SOC之間存在非常的相關(guān)性，該相關(guān)性給出了SOC確切的開始位置。由于所有自放電活動(dòng)都在電池的OCV降低過程中反應(yīng)出來，所以無需進(jìn)行自放電校正。在便攜式設(shè)備開啟之前，的SOC通常取決于對(duì)電池OCV的測(cè)量。當(dāng)設(shè)備處于活動(dòng)模式而且接入了負(fù)載，便開始執(zhí)行基于電流積分的庫侖計(jì)數(shù)算法。庫侖計(jì)數(shù)器測(cè)量通過的電荷量并進(jìn)行積分，從而不間斷地算出SOC值。

五、典型的軟件設(shè)計(jì)

電量計(jì)算的算法如圖6，相關(guān)說明如下：

假設(shè)前提：現(xiàn)有兩塊電池，A（總?cè)萘?000mAh左右，不確定），B（總?cè)萘?500mAh左右，不確定），此2電池均可能使用在手機(jī)P上。

插入電池（開機(jī)）→→是否電池校準(zhǔn)（默認(rèn)否）→→否→→調(diào)用電池容量曲線a（默認(rèn)）（若使用電池B，則修改為使用電池容量曲線b）→→通過電池端電池Vcc以及監(jiān)測(cè)耗電量聯(lián)合評(píng)估剩余電量百分比。

→→是→→若要校準(zhǔn)，請(qǐng)保證該電池已經(jīng)充滿電→→選擇校準(zhǔn)曲線，a還是b?→→記錄端電池Vcc-h，默認(rèn)此時(shí)電池電量百分比100%→→按每一可計(jì)算時(shí)間段，分別監(jiān)測(cè)耗電量，以及電池端電壓→→一直使用到電池沒電，自動(dòng)關(guān)機(jī)，記錄此狀態(tài)電壓Vcc-l以及默認(rèn)此時(shí)電池百分比0%，計(jì)算總的電量損耗Q，此Q即為以后容量曲線的totalQ。

圖6軟件流程圖

結(jié)論