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锂电池的秘密丨揭秘库仑计电量计设计攻略...
发布时间：
2016-04-18
锂电池产品具有很高的能量密度，随着技术的发展，能量密度会进一步提升，应用前景将更加广阔。就目前状况而言，锂电池产品已经成为我们生活中不可缺少的一部分，从日常生活用的手机、平板电脑到工业应用的各种手持式便携仪表均采用锂电池作为电源。
锂电池储能随着设备的使用逐渐释放，需要监测电池状态，以便及时了解电池的剩余电量，在电池耗尽之前及时为电池充电，估算当前工作状态下电池还可以维持工作的时长(锂电池过充和过放会影响电池的寿命，严重情况下还可能导致电池爆炸，因此，通常会采用电池保护板，这里不讨论该部分)。电量计就是专门用于监视锂电池状态的器件。在讨论电量计之前，先要了解一下锂电池的特性。
锂电池的特性
锂电池存储的能量和能够释放出的能量与温度有关，下图为不同温度下锂电池的状态图：
图1.电池存储/释放能量和温度关系
从图中可以看出，在-20℃时，电池充满电的电量为大约1150mAh，大电流放电至电池电压为2.5V时，电池电量为大约1130mAh，释放出的电量 为1150-1130=20mAh，由此可见，电池在-20℃时几乎无法释放电。随着温度升高，电池能够释放出的能量越多，并且电池能够存储的能量也随着温度升高有所增加。
随着充放电周期的不断增加，锂电池能够存储的能量会逐渐减少，称之为电池老化。下图为电池容量与充放电周期的关系图：
图2.电池充放电周期与容量关系图
从图中可以看出，随着充放电周期的增加，电池的容量逐渐减小，但是，在放电至规定电压时的剩余电量保持不变。
由于锂电池的这种非线性特性以及与温度、充放电次数的相关性，不能简单地根据电池电压来预报电池的电量。利用电量计器件可应对电池的非线性，对不同温度下以及老化程度不同的电池都能正确预报剩余电量。
电量计工作原理
目前电量计主要包括：基于库仑计计量的电量计和基于开路电压检测(OCV)的电量计。
OCV电量计工作原理
开路电压检测电量计利用电量计上电时测量电池的电压(通常情况下，电池应该静止足够长时间使电池电压恢复)，通过存储在电池内部的电压和电量对应关系查找 表来估算电池的电量，该电量计和电池的相关性不大，因此可以用在主机侧，使用该电量计的系统可任意更换电池(更换电池的型号必须一致)。
库仑计电量计工作原理
库仑计电量计是按照电池电流对时间的积分计算电量，电量计类似与一个蓄水池，充电时，相当于对蓄水池注水，放电时相当于对蓄水池放水，蓄水池中剩余的水量就相当于电池中剩余的电量，因此，库仑计电量计和电池密切相关，通常，库仑计电量计放置在电池包内，和电池绑定在一起。
电量计利用外部检流电阻检测电池电流，通过内部ADC将测量结果以电压形式保存在电流寄存器中，然后累计到电流累计寄存器(ACR)中，ACR中保存的结 果是以mVh为单位，因此除以检流电阻，就可以计算出电池的绝对剩余电量，真的这么简单！！其实不然，还有很多问题需要解决。
如何确保准确计量？
电量累计是电流对时间的积分，那么时间的精度和测量电流的精度就决定了电量累计的误差，时基误差在常温下小于1%，而且当测量电流为0时，累积电量也为0，因此，必须调整测量电流的精度才能确保电量计量精确，有哪些因素会影响电流的测量精度？外部电阻的精度，测量电流ADC的增益误差以及失调误差。器件 内部用于调整这些参数的寄存器分别是：
RSNSP (电阻寄存器)：用于存放检流电阻值
RSTC (电阻温度系数寄存器)：用于对温漂较高的电阻进行补偿。
COB (失调电流偏置寄存器)：用于存放ADC测量电流的失调值。当失调电流为正时，该寄存器设置为负值。在电流累积时会将失调电流减去。
RSGAIN (电阻增益寄存器)：用于设置电阻的增益。允许使用低成本电阻，然后通过该寄存器调整电阻值，另外，也可以通过调整该寄存器间接相当于调整了测量电流的增益误差。
另外，还有一些其它的电流，例如器件本身消耗的电流、电池自放电的电流以及一些其它的漏电流，这些电流都不会流经检流电阻，因此无法通过测量进行累积。电流累积偏移(AB)寄存器则用于补偿这些电流损耗。
如何应对电量随温度的变化？
电量计内部带有温度传感器，可测量电池的温度，如果将电池满电量与温度的对应关系写入器件，根据测量的电池温度，就能计算出当前的温度下电池的满电量，电池在不同温度、不同的放电电流情况下所能释放出的电能总量也是不同的，因此，也要将不同电流、不同温度下电池放空后的剩余电量(该部分电量无法释放出来) 写入内部寄存器。电池可以以最大允许放电电流范围内的任意值进行放电，如何存储这么多的放电曲线？幸运的是，采用电池供电的系统通常有两种工作模式：正常工作模式和待机模式。因此，只需要将这两种状态下的放电曲线(分别称为有效空电量和待机空电量)保存在内部寄存器中就可以了，这个过程称之为电池建模。
图3.不同温度下电池的满电量和空电量曲线
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低温智能锂电池管理系统设计方案
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