电量表IC简化锂离子电池地充电监测作业.doc

对於仰赖锂离子电池的电路而言，判断电池的剩余电量需使用特殊技术，这会让能源采集应用的设计更为复杂。 工程师能采用此类应用常用的 MCU 和 ADC 纳入这些特殊技术，但是复杂性也会随着提升。 然而，工程师可使用众多制造商所推出的专用「电量表」IC，即可将此功能加入到既有的设计中，包括 Linear Technology、Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。 　　 判断锂离子电池的充电状态 (SOC) 非常重要，但也极具挑战性，因为不同的电池在容量上差距甚大，甚至相同电池也有此现象。 随着锂离子电池老化，储存电荷的能力也会减弱。 因此，即使完全充电，老旧的电池提供可用电压的持续时间会比新电池更短。 在锂离子电池上，温度和放电率会大幅影响 SOC，会在任何特定电池上产生一系列独特的电压曲线（图 1）。 　　 Panasonic 的 VL 系列锂离子储存装置　　 图 1：锂离子储存装置（如 Panasonic 的 LV 系列）的输出电压会受到众多因素影响，包括温度、放电率以及电池寿命（资料来源： Panasonic ）。 　　 锂离子技术特有的输出电压曲线本质会使得 SOC 的判定更加复杂。 至於其他技术，开路电压 (OCV) 则能为充电状态提供更可靠的指示。 Panasonic 的 VI 系列 等锂离子电池，具有相对较平坦的输出曲线，因此监测方式更具挑战性（图 1）。 然而，锂离子电池的监测一般皆仰赖库伦计数或阻抗值量测达成；前者会随着时间追踪放电量，後者则藉由 SOC 和电池内部阻抗值之间的关系判断。 　　 这些方法每个都需要详尽且持续地测量电池的输出电流和电压，接着详尽分析这些数值并且与 SOC 的相关电压模型进行比较。 对能源采集应用而言，工程师通常可透过 MCU、ADC 等既有元件的优势，为能源采集应用提供核心功能。 可使用 Microchip Technology 的 MCP3421 等 ADC 撷取电流和电压输出的量测值，以便 MCU 进行分析（图 2）。 接着，MCU 会执行 SOC 演算法或是对量测值与 SOC 查找表的理想值进行比较，或是进行一些演算分析以及数据搜寻的组合式方法。 　　 　　Microchip Technology 的 MCP3421 ADC 图 2：工程师可透过 ADC（如 Microchip 的 MCP3421）实施电量表功能，藉此为 MCU 提供电池电压与电流的量测值，以进行 SOC 预估（资料来源：Microchip Technology）。 　　 电量表 IC 提供整合式解决方案，可用单一元件取代 ADC 和离散元件，能执行复杂的 SOC 预估法并且将预估结果传送到 MCU（图 3）。 绝大多数的电量表 IC 皆采用库伦计数法，藉此测量横跨电流感测电阻的电压，以便针对预估锂离子电池之 SOC 所需的电流放电量进行追踪。 　　 Texas Instruments 的专用电量表 IC　　 图 3：在典型应用中，专用电量表 IC 会测量横跨感测电阻的电压，藉此监测电池电流，然後将计算後的 SOC 结果以及其他电荷资讯传送给 MCU（资料来源：Texas Instruments）。 　　 进阶电量表 IC（如 Linear Technology 的 LTC2941-1）会结合专用的库伦计数器以及晶片上感测电阻，并针对温度进行补偿以提升准确性。 在此例中，库伦计数器会监测内部感测电阻所产生的电压，然後整合测得的数据预估电荷（图 4）。 LTC2942-1 含有 LTC2941-1 的功能以及额外能力，可进行温度和电压的量测。 　　 Linear Technology 的 LTC2941-1　　 图 4：Linear Technology 的 LTC2941-1 等电量表 IC 会整合混合式讯号库伦计数电路以进行 SOC 预估（资料来源：Linear Technology）。 　　 电量表 IC 通常会将 SOC 以单一数值的方式传送。 相反地，Linear 的 LTC4150 电量表 IC 会将结果以一系列输出脉冲的方式传送，并且呼应流进或流出电池的固定电荷量。 　　 虽然电量表 IC 常用库伦计数方法，但通常许多装置都会将库伦计数结合周期性电压量测，以便重新校正结果，将温度以及电池老化的效应纳入考量。 Maxim Integrated 的 DS2786B 会在电池充电以及放电时计算流入和流出电池的电荷。 应用未运作时，DS2786B 会进行电池 OCV 量测，但在这之前会延迟一段足够的时间让电池电压趋稳。 根据 OCV 量测结果，元件会使用晶片上的 OCV 电池模型调整其所储存的库伦计数值。 此模型储存在 DS2786