使用充電器電池的電量計算原理介紹
目前大量應用的充電電池包括鉛酸蓄電池、鎳鎘/鎳氫電池、鋰離子/鋰聚合物電池充電器。這幾(ji)種電池的特性如表1所示。
鉛(qian)(qian)酸(suan)蓄(xu)電(dian)(dian)池容(rong)量大，內(nei)阻低(一般(ban)400Ah的2V蓄(xu)電(dian)(dian)池內(nei)阻大約為0.5mΩ)，可進(jin)(jin)行大電(dian)(dian)流放(fang)電(dian)(dian)，但是笨重且體積(ji)龐大、不(bu)便于攜(xie)帶，常用在汽車和工業場合。其電(dian)(dian)極材(cai)料含(han)鉛(qian)(qian)，可對(dui)環境造(zao)成(cheng)極大污染。鉛(qian)(qian)酸(suan)蓄(xu)電(dian)(dian)池對(dui)充電(dian)(dian)控制的要求不(bu)高，可以(yi)進(jin)(jin)行浮(fu)充。
鎳鎘電池容量較大，內阻低、放電電壓平穩，適合作為直流電源。與其他種類的電池相比，鎳鎘電池耐過充電和過放電，操作簡單方便，但是具有記憶效應，應盡量在完全放電之后進行充電。電極材料含有劇毒重金屬鎘，隨著環保要求的提高，其市場份額越來越小。
鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎上發展而來的，采用金屬化氫替代有毒的鎘，在大部分場合可以替代鎳鎘電池。其容量約為鎳鎘電池的1.5～2倍，且沒有記憶效應。相對于鎳氫電池，它對充電控制的要求較高，目前大量使用在一些便攜電子產品中。
鋰離子電池是目前最常見的二次鋰電池，擁有高能量密度，與高容量鎳鎘/鎳氫電池相比，其能量密度為前者的 1.5～2倍。其平均使用電壓為3.6V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍。它的內阻較大，不能進行大電流充放電，并且需要精確的充放電控制，以防止電池損壞并達到最佳使用性能。鋰離子電池廣泛使用在各種便攜電子產品中，包括手機、筆記本電腦、mp3等。
鋰聚合物電池是一種新型的二次鋰電池，具有更大的容量；內阻較低，允許10C充放電電流。它和鋰離子電池一樣需要精確的充放電控制。目前，鋰聚合物電池主要用于一些需要大電流充放電的應用中，如動力/模型汽車等。充電電池容量估算方法。
在多數便攜應用(yong)中(zhong)，都(dou)需(xu)要隨時了解電(dian)池剩余容(rong)量以估(gu)算電(dian)池使用(yong)時間。
圖1 簡化的電池電量計框圖
最早應用(yong)的(de)方(fang)法(fa)(fa)是通過(guo)監視電(dian)(dian)池(chi)開(kai)路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)來獲(huo)得剩(sheng)余容(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)是因為電(dian)(dian)池(chi)端(duan)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)和剩(sheng)余容(rong)量(liang)(liang)之間(jian)有一個(ge)確(que)定的(de)關系，測量(liang)(liang)電(dian)(dian)池(chi)端(duan)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)即可估算(suan)其剩(sheng)余容(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)種方(fang)法(fa)(fa)的(de)局限是：1）對(dui)于不同(tong)(tong)廠商生產(chan)的(de)電(dian)(dian)池(chi)，其開(kai)路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)與容(rong)量(liang)(liang)之間(jian)的(de)關系各(ge)不相同(tong)(tong)。2）只(zhi)有通過(guo)測量(liang)(liang)電(dian)(dian)池(chi)空載時的(de)開(kai)路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)才能獲(huo)得相對(dui)準確(que)的(de)結果，但是大多數應用(yong)都需要(yao)在(zai)(zai)(zai)運(yun)行(xing)中了解電(dian)(dian)池(chi)的(de)剩(sheng)余容(rong)量(liang)(liang)，此時負載電(dian)(dian)流在(zai)(zai)(zai)內阻上產(chan)生的(de)壓(ya)(ya)降將(jiang)會影響(xiang)開(kai)路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)測量(liang)(liang)精度。而電(dian)(dian)池(chi)內阻的(de)離(li)散性(xing)(xing)很大，且隨著電(dian)(dian)池(chi)老化(hua)這(zhe)種離(li)散性(xing)(xing)將(jiang)變得更大，因此要(yao)補償該(gai)壓(ya)(ya)降帶來的(de)誤差將(jiang)十分困難。綜上所述，通過(guo)開(kai)路電(dian)(dian)壓(ya)(ya)來實時估算(suan)電(dian)(dian)池(chi)剩(sheng)余容(rong)量(liang)(liang)的(de)方(fang)法(fa)(fa)在(zai)(zai)(zai)實際應用(yong)中無(wu)法(fa)(fa)達(da)到足夠的(de)精度，只(zhi)能提供一個(ge)大致(zhi)的(de)參(can)考值。
另一種大量(liang)(liang)應用的(de)(de)方法(fa)是通過測量(liang)(liang)流(liu)入(ru)/流(liu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)凈電(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)來估算電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)剩余容(rong)量(liang)(liang)。這種方法(fa)對流(liu)入(ru)/流(liu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)總電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)進行(xing)積分，得到的(de)(de)凈電(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)數(shu)即(ji)為剩余容(rong)量(liang)(liang)。電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)容(rong)量(liang)(liang)可(ke)以(yi)預置，也可(ke)在后續的(de)(de)完整充電(dian)(dian)(dian)(dian)周期中進行(xing)學習。在補償電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)自放電(dian)(dian)(dian)(dian)、不同溫度(du)下的(de)(de)容(rong)量(liang)(liang)變(bian)化(hua)等因素后，這種方法(fa)可(ke)以(yi)獲得令人(ren)滿意的(de)(de)精度(du)，因此廣泛運用于筆(bi)記本電(dian)(dian)(dian)(dian)腦等高端(duan)應用中。
電(dian)池(chi)電(dian)量計(ji)工作原(yuan)理
電(dian)(dian)池電(dian)(dian)量計(ji)對流入/流出(chu)電(dian)(dian)池的(de)總(zong)電(dian)(dian)流持續(xu)進行積分(fen)，并將積分(fen)得到(dao)的(de)凈電(dian)(dian)荷數(shu)作為剩余(yu)容量。
電池(chi)電量
簡化的電池電量計如圖1所示。其中，RSNS為mΩ級檢流電阻，RL為負載電阻。電池通過開關、RSNS對RL放電時的電流IO在RSNS兩端產生的壓降為VS(t)=IO(t)×RSNS。電量計持續檢測RSNS兩端的壓差VS，并將其通過ADC轉換為N位的數字量Current(簡稱CR)，之后以時基確定的速率進行累加，M位累加結果Accumulated_Current(簡稱ACR)的單位為Vh(伏時)。對量化后的VS進行累加相當于對其進行積分，結果為。
因(yin)此，將ACR值(zhi)(zhi)除(chu)以檢流電阻RSNS的(de)阻值(zhi)(zhi)即得到以Ah(安時)為單位的(de)電池(chi)容(rong)量(liang)。ADC轉換結果和累(lei)加后的(de)結果都帶(dai)有符號位，按照圖1中的(de)連接方(fang)式，充電時CR為正(zheng)，ACR遞(di)增(zeng)；放電時CR為負，ACR遞(di)減。外(wai)部微(wei)控制器(qi)可以讀取CR和ACR值(zhi)(zhi)，經(jing)過換算得到真實的(de)充放電電流和電量(liang)值(zhi)(zhi)。
實際的(de)(de)電(dian)(dian)量計(ji)還包括一(yi)(yi)些(xie)(xie)控制(zhi)和接口(kou)邏輯，通常還能(neng)檢測電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓和溫度等參數。一(yi)(yi)些(xie)(xie)智能(neng)電(dian)(dian)量計(ji)可(ke)以(yi)自動(dong)完成電(dian)(dian)池(chi)自放電(dian)(dian)的(de)(de)修正，還可(ke)保存電(dian)(dian)池(chi)特性曲(qu)線，允許用戶定制(zhi)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)量計(ji)算(suan)法。
電池電量計的計算
通常，在電量計數(shu)據(ju)資料中CR的單(dan)(dan)位為(wei)mV，ACR的單(dan)(dan)位為(wei)mVh。
根據前文的(de)說明，CR值為取樣電阻兩端(duan)的(de)電壓值，典(dian)型的(de)12bit CR如表2所示。
其中，S為(wei)(wei)符號位，20為(wei)(wei)LSB。如果(guo)CR的(de)(de)滿偏值為(wei)(wei)F，則其LSB的(de)(de)計算公式如下：
（1）
若(ruo)CR的(de)讀數(shu)為M，取樣電阻為值RSNS，則實際的(de)電流值為：
（2）
電流方向由S位確定。若滿偏值F為±64mV，則LSB為±15.625μV；RSNS為10mΩ時最大電流為±
。
ACR為取樣電(dian)(dian)阻兩端電(dian)(dian)壓的累積值(zhi)，典型(xing)的16bit ACR如表3所示。
其中，S為(wei)符號位，20為(wei)LSB。如果ACR的(de)滿偏值(zhi)為(wei)F，則LSB的(de)計算公式如下：
（3）
凈電(dian)(dian)荷(he)量(liang)(liang)由S位確(que)定。若滿(man)偏值F為(wei)±204.84mVh，則LSB為(wei)±6.25μVh；RSNS為(wei)10mΩ時最(zui)大電(dian)(dian)量(liang)(liang)為(wei)±20.48Ah。若M為(wei)7680，則實際電(dian)(dian)量(liang)(liang)為(wei)。
結(jie)語
本文在介紹了電池電量計的原理之后，給出了一些簡單的計算公式。設計者可以方便的從電量計讀數中計算出真實電量，從而加快設計過程。