通過(guò)計(jì)算庫(kù)倫量確定電池充電狀態(tài)

引言

不可再充電電池 (或“主電池”) 一度被認(rèn)為是已經(jīng)過(guò)時(shí)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-SOCI2) 電池] 仍然可以為用戶提供很多好處，包括高能量密度、即時(shí)就緒、很低的自放電量、合理的壽命和環(huán)保性 (相對(duì)容易處置)。在有些應(yīng)用中，更換電池不切實(shí)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(cái)產(chǎn)跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)視和無(wú)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(diǎn)包括可重用性、經(jīng)濟(jì)性 (因?yàn)槌潆娤到y(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(guò)，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(chǔ)存的能量) 的缺點(diǎn)。參見(jiàn)圖 1。

圖 1：可再充電電池與主電池的能量密度比較

(數(shù)據(jù)來(lái)源：Battery University)

部署在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的應(yīng)用有一些特點(diǎn)更適合使用主電池，例如在長(zhǎng)時(shí)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(shí)際。

需要考慮的主電池運(yùn)行時(shí)間問(wèn)題

主電池盡管有這么多優(yōu)點(diǎn)，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(huì)引起宕機(jī)。在這類應(yīng)用中，基于電池充電狀態(tài) (SoC) 查明剩余運(yùn)行時(shí)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(cè)剩余電池電量。

圖 2：Tadiran 公司 TL-4930 型號(hào)主電池的放電曲線

(數(shù)據(jù)來(lái)源：Tadiran 公司)

理想情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單的電池電壓測(cè)量，應(yīng)該足以估計(jì)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(méi)電之前，通過(guò)測(cè)量電池電壓，無(wú)法推斷出很多有關(guān)充電狀態(tài)的任何信息。對(duì)很多電池化學(xué)組成而言，用這種常見(jiàn)的電壓測(cè)量方法確定 SoC 都很有效，但是對(duì)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(jì)充電狀態(tài)的方法是加上一個(gè)負(fù)載并測(cè)量壓降，然后比較測(cè)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。使這種方法變得復(fù)雜的一個(gè)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(cè)也需要精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)和測(cè)量電池溫度。否則就無(wú)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(cè)量” SoC的方法是，完備地描述負(fù)載的各種條件，然后測(cè)量每節(jié)電池的總運(yùn)行時(shí)間。例如，很多用戶都按照固定的時(shí)間表更換所有電池，該時(shí)間表對(duì)應(yīng) 40% 的SoC 或某一預(yù)定值。但是，這種方法沒(méi)有最大限度利用電池運(yùn)行時(shí)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 2 到 3 倍時(shí)，那么這種“開(kāi)環(huán)”方法就不管用了，因?yàn)殡姵剡\(yùn)行時(shí)間會(huì)迅速縮短。

相比之下，另一種更加準(zhǔn)確的方法是“庫(kù)倫計(jì)數(shù)”，這種方法測(cè)量流出電池的庫(kù)倫量。過(guò)去，采用庫(kù)倫計(jì)數(shù)方法的成本一直很高，所以這種方法很少使用。不過(guò)，這種方法非常有效，是惟一能夠準(zhǔn)確測(cè)量從電池流出庫(kù)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(kù)倫計(jì)數(shù)確定。

主電池面臨的其他挑戰(zhàn)

主電池不能接受過(guò)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(gè)特點(diǎn)會(huì)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(zhǎng)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)的應(yīng)用。最后，運(yùn)行時(shí)吸取過(guò)大靜態(tài)電流的 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC 將消耗電池電量，因此對(duì)運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響，這是另一個(gè)潛在的系統(tǒng)缺點(diǎn)。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(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)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(shí)工作電壓在不斷下降。不過(guò)，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(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。過(guò)去，這些電壓軌一直由降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 提供。然而，這類 IC 沒(méi)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(yùn)行時(shí)間。因此，使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (可以將電壓提高或降低) 時(shí)，就允許利用電池的全部工作范圍。這提高了運(yùn)行裕度，延長(zhǎng)了電池運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)楦嗟碾姵乜捎秒娏康玫搅死?，尤其是靠近電池放電曲線的較低端時(shí)。

具備庫(kù)倫計(jì)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(wèn)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(guò)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(yùn)行模式和停機(jī)模式均具備超低靜態(tài)電流以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間

3)能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電

4)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算庫(kù)倫量以確定電池充電狀態(tài)，且不會(huì)顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (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(yùn)的是，凌力爾特最近推出的產(chǎn)品 LTC3335 就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫(kù)倫計(jì)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(jì)，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?；蛘哒f(shuō)，需要知道庫(kù)倫計(jì)數(shù)器檢測(cè)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。參見(jiàn)以下圖 3。

圖 3：集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3335

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(kù)倫計(jì)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) 250mA 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 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個(gè) 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出提供了一個(gè)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(cè)量準(zhǔn)確度為 ±5%) 庫(kù)倫計(jì)數(shù)器，在長(zhǎng)壽命不可再充電電池供電應(yīng)用中，可準(zhǔn)確監(jiān)視累計(jì)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(wú)線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和凌力爾特 Dust Networks® SmartMesh® 系統(tǒng)。LTC3335 包括 4 個(gè)內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達(dá) 90% 的效率。其他特點(diǎn)包括可編程放電報(bào)警門限、用于庫(kù)倫計(jì)數(shù)和器件設(shè)定的 I2C 接口、一個(gè)電源良好輸出、以及 8 個(gè)從 5mA 至 250mA 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°C 至 +125°C，采用耐熱增強(qiáng)型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝。圖 4 顯示了一個(gè)典型的應(yīng)用電路。

圖 4：簡(jiǎn)化的 LTC3335 應(yīng)用原理圖

結(jié)論

可再充電“輔助”電池可以在大量應(yīng)用中見(jiàn)到，不過(guò)對(duì)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(wú)線傳感器系統(tǒng)。主電池有很多優(yōu)勢(shì)，但是也有幾種特性使其難以用于很多設(shè)計(jì)中：平坦的放電曲線、在有浪涌電流時(shí)不能很好地運(yùn)行、以及較適合用于輕負(fù)載情況。

庫(kù)倫計(jì)數(shù)是一種預(yù)測(cè)剩余電池電量的可靠方法。降壓-升壓型架構(gòu)是有利的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)在輸入等于、高于或低于輸出時(shí)都能調(diào)節(jié) Vout，這在電池供電時(shí)可盡量延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。有效地給小電流遠(yuǎn)程監(jiān)視應(yīng)用供電可以證明是非常具有挑戰(zhàn)性，不過(guò)凌力爾特公司提供了一系列尖端產(chǎn)品，這些產(chǎn)品功率很低，性能很高。一個(gè)功耗達(dá)到毫微量級(jí)的器件是 LTC3335 降壓-升壓型穩(wěn)壓器，該器件集成了庫(kù)倫計(jì)數(shù)器和電流限制，為各種不可再充電電池供電的輕負(fù)載應(yīng)用延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間提供了極富吸引力的解決方案。