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(dian)池的特性如(ru)表1所示(shi)。

鉛酸蓄電(dian)池(chi)容量大(da)(da)(da)，內(nei)阻(zu)低(一(yi)般400Ah的2V蓄電(dian)池(chi)內(nei)阻(zu)大(da)(da)(da)約為0.5mΩ)，可(ke)(ke)進行大(da)(da)(da)電(dian)流放電(dian)，但(dan)是笨重且體積(ji)龐大(da)(da)(da)、不便于攜帶，常用(yong)在汽車和(he)工(gong)業場合(he)。其(qi)電(dian)極(ji)材料含鉛，可(ke)(ke)對環境(jing)造成極(ji)大(da)(da)(da)污(wu)染(ran)。鉛酸蓄電(dian)池(chi)對充電(dian)控制的要求不高(gao)，可(ke)(ke)以進行浮充。

    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。
    在多數便攜應用中，都需要(yao)隨時了解電池剩余容(rong)量以估(gu)算電池使用時間。

圖1 簡化的電池電量計框圖

最早應用的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)是通過(guo)監視電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)(ya)來獲得(de)剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)是因(yin)為電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)(ya)和剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)(liang)之間(jian)有一(yi)個確定的(de)(de)(de)關系，測(ce)量(liang)(liang)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)(ya)即可估算其剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)(liang)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)局(ju)限(xian)是：1）對(dui)(dui)于不同廠(chang)商(shang)生產(chan)的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，其開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)(ya)與容(rong)量(liang)(liang)之間(jian)的(de)(de)(de)關系各不相同。2）只(zhi)有通過(guo)測(ce)量(liang)(liang)電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)空載(zai)時的(de)(de)(de)開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)(ya)才能(neng)獲得(de)相對(dui)(dui)準確的(de)(de)(de)結(jie)果，但(dan)是大(da)(da)多數應用都需要在運行(xing)中了(le)解電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)(liang)，此時負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)在內阻上產(chan)生的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)降將(jiang)會影響開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)(ya)測(ce)量(liang)(liang)精度。而電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)內阻的(de)(de)(de)離散性很大(da)(da)，且隨著電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)老化這(zhe)種(zhong)離散性將(jiang)變得(de)更大(da)(da)，因(yin)此要補償該(gai)壓(ya)(ya)降帶(dai)來的(de)(de)(de)誤差將(jiang)十分困難。綜上所(suo)述，通過(guo)開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)(ya)來實(shi)時估算電(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)在實(shi)際應用中無法(fa)達到(dao)足夠(gou)的(de)(de)(de)精度，只(zhi)能(neng)提供(gong)一(yi)個大(da)(da)致(zhi)的(de)(de)(de)參(can)考值(zhi)。

另一種大量(liang)應(ying)用(yong)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)是通過(guo)測量(liang)流入/流出電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)凈電(dian)荷來估算電(dian)池(chi)(chi)剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)。這(zhe)種方法(fa)對流入/流出電(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)總(zong)電(dian)流進(jin)行(xing)積分，得到(dao)的(de)(de)(de)(de)凈電(dian)荷數即為剩余(yu)(yu)容(rong)量(liang)。電(dian)池(chi)(chi)容(rong)量(liang)可以(yi)預置，也可在后(hou)續的(de)(de)(de)(de)完整充電(dian)周(zhou)期(qi)中進(jin)行(xing)學(xue)習。在補償電(dian)池(chi)(chi)自放電(dian)、不同溫度下的(de)(de)(de)(de)容(rong)量(liang)變化等(deng)因(yin)素后(hou)，這(zhe)種方法(fa)可以(yi)獲得令人(ren)滿意的(de)(de)(de)(de)精度，因(yin)此廣(guang)泛運用(yong)于筆(bi)記本電(dian)腦(nao)等(deng)高(gao)端應(ying)用(yong)中。

電(dian)池電(dian)量計工作原理

電池電量計對流(liu)入(ru)/流(liu)出(chu)電池的總電流(liu)持續(xu)進行積分，并(bing)將積分得到的凈電荷數作為剩(sheng)余容(rong)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(ci)，將ACR值(zhi)除(chu)以(yi)檢(jian)流(liu)電(dian)阻RSNS的(de)(de)(de)阻值(zhi)即得到(dao)以(yi)Ah(安時(shi))為(wei)單位(wei)的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)容(rong)量。ADC轉換結(jie)果(guo)和累(lei)加(jia)后的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)都帶(dai)有(you)符號位(wei)，按(an)照圖1中的(de)(de)(de)連接方式，充(chong)電(dian)時(shi)CR為(wei)正，ACR遞增；放電(dian)時(shi)CR為(wei)負，ACR遞減(jian)。外部微控制器可以(yi)讀取CR和ACR值(zhi)，經(jing)過換算得到(dao)真實的(de)(de)(de)充(chong)放電(dian)電(dian)流(liu)和電(dian)量值(zhi)。

實際的(de)電(dian)量計還包括一(yi)些控制(zhi)和接口邏輯，通常(chang)還能(neng)檢測電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)和溫度等參數。一(yi)些智能(neng)電(dian)量計可(ke)以自動完(wan)成電(dian)池(chi)自放電(dian)的(de)修正，還可(ke)保存(cun)電(dian)池(chi)特性曲線(xian)，允許用戶(hu)定制(zhi)電(dian)池(chi)電(dian)量計算法。