使用充電器電池的電量計算原理介紹

發布日期 : 2018年04月11日00時00分00秒

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(zhe)幾種電池的特性如表(biao)1所示(shi)。

鉛(qian)酸蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)容量大(da)，內阻低(di)(一般(ban)400Ah的(de)2V蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內阻大(da)約(yue)為0.5mΩ)，可進行大(da)電(dian)(dian)(dian)流(liu)放電(dian)(dian)(dian)，但是笨重且(qie)體積(ji)龐大(da)、不(bu)便于(yu)攜帶，常用在汽車和(he)工業場合。其(qi)電(dian)(dian)(dian)極材(cai)料含鉛(qian)，可對(dui)環(huan)境造成極大(da)污染。鉛(qian)酸蓄電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)對(dui)充電(dian)(dian)(dian)控制的(de)要求(qiu)不(bu)高，可以進行浮(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(ying)用(yong)中，都需要隨時(shi)了解電(dian)池(chi)剩余容(rong)量以估算(suan)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)。

圖1 簡化的電池電量計框圖

最早應用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法是(shi)通(tong)過(guo)監視電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)來(lai)獲得(de)剩余(yu)(yu)容(rong)(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)是(shi)因為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)端電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)和剩余(yu)(yu)容(rong)(rong)量(liang)(liang)之間(jian)有一(yi)個確定的(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)，測量(liang)(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)端電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)即(ji)可估算(suan)其(qi)剩余(yu)(yu)容(rong)(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)種方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)局限是(shi)：1）對于(yu)不同廠商生產的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，其(qi)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)與容(rong)(rong)量(liang)(liang)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)關系(xi)各不相(xiang)同。2）只(zhi)有通(tong)過(guo)測量(liang)(liang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)空載時的(de)(de)(de)(de)(de)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)才能獲得(de)相(xiang)對準確的(de)(de)(de)(de)(de)結果(guo)，但(dan)是(shi)大(da)多數應用(yong)都需要在運行中了解電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)剩余(yu)(yu)容(rong)(rong)量(liang)(liang)，此時負載電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流在內(nei)(nei)阻(zu)上產生的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)降將(jiang)會影響開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)測量(liang)(liang)精度(du)。而(er)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內(nei)(nei)阻(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)離散性很(hen)大(da)，且隨(sui)著(zhu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)老(lao)化這(zhe)種離散性將(jiang)變得(de)更(geng)大(da)，因此要補償該(gai)壓(ya)(ya)降帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)誤差將(jiang)十分困難(nan)。綜上所(suo)述，通(tong)過(guo)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)來(lai)實時估算(suan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)剩余(yu)(yu)容(rong)(rong)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法在實際應用(yong)中無法達到足夠的(de)(de)(de)(de)(de)精度(du)，只(zhi)能提(ti)供一(yi)個大(da)致的(de)(de)(de)(de)(de)參考值。

另一種大量應(ying)用的方(fang)法(fa)(fa)是通過測量流入/流出(chu)電(dian)池(chi)的凈電(dian)荷來估算電(dian)池(chi)剩余(yu)容量。這(zhe)種方(fang)法(fa)(fa)對流入/流出(chu)電(dian)池(chi)的總電(dian)流進行積分，得到的凈電(dian)荷數即為剩余(yu)容量。電(dian)池(chi)容量可(ke)以(yi)預置，也可(ke)在后(hou)(hou)續的完整充電(dian)周期中進行學習。在補償(chang)電(dian)池(chi)自放(fang)電(dian)、不同溫度下(xia)的容量變化等因(yin)素后(hou)(hou)，這(zhe)種方(fang)法(fa)(fa)可(ke)以(yi)獲得令人滿意的精度，因(yin)此廣泛運(yun)用于(yu)筆記本電(dian)腦等高端應(ying)用中。

電池電量計(ji)工作原理

電池電量計對流入/流出電池的總電流持續進(jin)行積分，并將積分得到的凈電荷數作為剩余(yu)容量。

電池電量

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。

因此，將ACR值(zhi)(zhi)除以(yi)檢流(liu)電(dian)阻(zu)RSNS的(de)阻(zu)值(zhi)(zhi)即得到(dao)以(yi)Ah(安時)為單(dan)位的(de)電(dian)池容(rong)量(liang)。ADC轉換(huan)結果和(he)累加后的(de)結果都(dou)帶有符號位，按(an)照圖1中的(de)連接方式，充電(dian)時CR為正，ACR遞增；放(fang)電(dian)時CR為負，ACR遞減(jian)。外(wai)部微控制(zhi)器可以(yi)讀取CR和(he)ACR值(zhi)(zhi)，經過換(huan)算(suan)得到(dao)真(zhen)實的(de)充放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)量(liang)值(zhi)(zhi)。

實際的電(dian)量計還(huan)(huan)包(bao)括一些控制和接口邏輯(ji)，通(tong)常還(huan)(huan)能檢(jian)測電(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)壓(ya)和溫度等參數。一些智能電(dian)量計可(ke)以自動完成電(dian)池(chi)(chi)(chi)自放電(dian)的修正(zheng)，還(huan)(huan)可(ke)保(bao)存電(dian)池(chi)(chi)(chi)特性(xing)曲線(xian)，允許用戶(hu)定制電(dian)池(chi)(chi)(chi)電(dian)量計算法。