如何预测电池容量与确保安全运行.doc
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1、如何预测电池容量与确保安全运行除了提供电力之外,用户还希望电池能够安全可靠地运行,并在需要充电甚至更换时提醒他们。对于设计师来说,这提出了两个挑战第一个是可靠而准确地预测电池容量。第二是确保使用可靠的电池来确保产品的安全运行。Maxim Integrated MAX172xx系列电量计为开发人员提供单芯片解决方案,以最小的工作量提供增强的准确性和安全认证。电池性能因素电池性能已经成为各类移动产品的主要差异化因素,但用户实际上只有在电池无法满足预期时才会意识到电池。实际上,制造商仍在努力采用可靠方法准确估算电池剩余电量的方法,尤其是锂离子(Li-ion)电池组。与早期的电池技术不同,电压输出锂离
2、子电池在其工作范围的较宽范围内是平坦的,并且表现出明显的温度依赖性(图1)。因此,当应用于锂离子电池时,常规使用开路电压(OCV)测量来预测电池充电状态(SOC)可能遭受显着误差。此外,采用这种方法对电流检测电阻的需求意味着电池会持续耗电,即使开发人员希望实施策略来延长充电之间的时间。图1:与任何锂离子电池一样,相对平坦的电压输出使输出电压与电池容量相关的尝试变得复杂。 (图片来源:Richtek)另一种常见的方法是库仑计数,仔细跟踪电池输入和输出电流。在完美的世界中,这种方法可以提供非常准确和可靠的电池SOC测量。然而,实际上,实际电路的非理想特性会引入误差,导致SOC估计随时间的显着漂移。
3、除了努力提供更精确的SOC估计外,设备制造商多年来一直采用确保只有正宗电池与其设备一起使用的措施。未经许可的克隆不仅显着影响产品制造商的收入,而且还降低了电池供电产品对消费者的操作。这些假冒电池可能不符合与目标产品相关的严格机械和电气要求。克隆电池可能缺乏针对短路,温度监控和整体充电管理所需的防护等级,这对锂离子充电电池尤其重要。此外,未能满足严格供应要求的电池可能会损坏目标产品。即使产品内置了电源保护机制,先进的半导体器件仍然对电源电压和电流敏感。超出规格的电池电源会对组件造成压力,影响性能,最终导致生命周期缩短和故障。单芯片解决方案过去,电池制造商 - 操作的设备和电池组需要组合的组合以提
4、供SOC估计并确保使用真实的电池。相比之下,Maxim Integrated MAX17201是一款单芯片解决方案,能够提供高精度的SOC估计和高度安全的电池认证。只需少量额外的无源元件,设计人员就可以使用MAX17201或其在系统侧(图2A)或电池组(图2B)中实现这些功能的变体。 MAX17201和MAX17211监控单节电池组,MAX17205和MAX17215监控并平衡多节电池组。图2:Maxim Integrated MAX17201和MAX17211支持系统侧(A)和电池侧(B)设计,只需少量附加组件即可提供复杂的容量估算和电池认证。 (图像来源:Maxim Integrated)
5、对于设计人员而言,该器件提供了近乎可靠的解决方案。硬件工程师可以通过简单的串行2线或1线接口将器件集成到目标系统的电源管理设计中。 (MAX1720x器件支持I 2 C串行接口; MAX1721x器件支持Maxim 1线串行接口。)软件开发需要在串行连接上实现一些简单的命令来执行电池SOC和MAX172xx器件内置的认证程序。开发人员可以使用Maxim工具来表征电池以满足自定义调谐要求,但他们通常可以忽略电池/系统集成中的这一传统步骤。该设备的默认设置可处理各种电池,无需进一步表征。在整个电池的生命周期中,工程师可以依靠设备自动补偿温度变化,放电率,甚至电池单元老化的能力,以保持准确的结果。自
6、适应SOC算法对于SOC估算,该器件采用Maxim专有的ModelGauge m5算法,该算法将库仑计数与电池OCV测量相结合。在这里,该算法利用每种估计方法的优势来抵消对方的弱点。例如,在上电复位后,库仑计数未知。即使设计者接受了与断电时在非易失性存储器中保留该值相关的成本,在延长的断电状态期间适度的电池放电也会削弱其准确性。 Maxim的m5算法通过最初使用OCV作为SOC估计的主要来源来回避这个问题。随着电池使用的继续,m5算法更多地依赖于库仑计数,当输出电流响应系统负载的正常变化而变化时,库仑计数可以更可靠地跟踪SOC。随着时间的推移,m5算法将库仑计数的结果与基于OCV的SOC估计的
7、结果进行比较。随着这些估计方法之间的差异变宽,m5算法以固定步长增加或减少库仑计数值,以使其更接近OCV结果。净效应是SOC估计结果,其避免了库仑计数的漂移和OCV方法的不稳定性(图3)。图3:Maxim Integrated ModelGauge m5算法协调使用两种传统方法:库仑计数和开路电压测量,以最大化每个方法的优势方法同时尽量减少其缺点。 (图像来源:Maxim Integrated)对于实际应用,剩余电池寿命有多个方面。改变温度和放电速率会影响应用实际可用的电荷量。 MAX17201及其变体使用专用器件寄存器报告不同的容量测量值,以满足实际使用情况(图4)。主机通过串行接口上的简单
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