电池电量计量原理

本文由ｚｅａｌｏｔｒａｌｆ贡献
ｐｄｆ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。

建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机查看。

充电电池简介　目前大量应用的充电电池包括铅酸蓄电池，镍镉／镍氢电池，锂离子／锂聚合物电池．这几种电池的特性如表　１　所示．　铅酸蓄电池容量大，内阻低（一般　４００Ａｈ　的　２Ｖ　蓄电池内阻大约为　０．５ｍ），可进行大电流放电，但是笨重且体积庞大，不便于携带，常用在汽车和工业场合．其电极材料　含铅，可对环境造成极大污染．铅酸蓄电池对充电控制的要求不高，可以进行浮充．　镍镉电池容量较大，内阻低，放电电压平稳，适合作为直流电源．与其他种类的电　池相比，镍镉电池耐过充电和过放电，操作简单方便，但是具有记忆效应，应尽量在　完全放电之后进行充电．电极材料含有剧毒重金属镉，随着环保要求的提高，其　市场份额越来越小．
镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展而来的，采用金属化氢替代有毒的镉，在大部分场合可以替代镍镉电池．其容量约为镍镉电池的　１．５～２　倍，且没有记忆效应．相对　于镍氢电池，它对充电控制的要求较高，目前大量使用在一些便携电子产品中．　锂离子电池是目前最常见的二次锂电池，拥有高能量密　度，与高容量镍镉／镍氢电池相比，其能量密度为前者的　１．５～２　倍．其平均使用电压为　３．６Ｖ，是镍镉电池，镍氢　电池的　３　倍．它的内阻较大，不能进行大电　流充放电，并且需要精确的充放电控制，以防止电池损坏并达到最佳使用性能．锂离子电池广泛使用在各种便携电子产品中，　包括手机，笔记本电脑，ｍｐ３　等．　锂聚合物电池是一种新型的二次锂电池，具有更大的容量；内阻较低，允许　１０Ｃ　充放电电流．它和锂离子电池一样需要精确的充放电控制．目前，锂聚合物电池主要用　于一些需要大电流充放电的应用中，如动力／模型汽车等．　充电电池容量估算方法　在多数便携应用中，都需要随时了解电池剩余容量以估算电池使用时间．
图　１　简化的电池电量计框图　最早应用的方法是通过监视电池开路电压来获得剩余容量．这是因为电池端电压和　剩余容量之间有一个确定的关系，测量电池端电压即可估算其剩余容量．这种方法的　局限是：１）对于不同厂商生产的电池，其开路电压与容量之间的关系各不相　同．２）只有通过测量电池空载时的开路电压才能获得相对准确的结果，但是大多数应用都需　要在运行中了解电池的剩余容量，此时负载电流在内阻上产生的压降将　会影响开路电压测量精度．而电池内阻的离散性很大，且随着电池老化这种离散性将变得更大，因　此要补偿该压降带来的误差将十分困难．综上所述，通过开路电压　来实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度，只能提供一个大致的参考值．　另一种大量应用的方法是通过测量流入／流出电池的　净电荷来估算电池剩余容量．这种方法对流入／流出电池的总电流进行积分，得到的净电荷数即为剩余容量．电池容量　可以预置，也可在后续的完整充电周期中进行　学习．在补偿电池自放电，不同温度下的容量变化等因素后，这种方法可以获得令人满意的精度，因此广泛运用于笔记本电　脑等高端应用中．　电池电量计工作原理　电池电量计对流入／流出电池的总电流持续进行积分，并将积分得到的净电荷数作为剩余容量．　简化的电池电量计如图　１　所示．其中，ＲＳＮＳ　为　ｍ　级　检流电阻，ＲＬ　为负载电阻．电池通过开关，ＲＳＮＳ　对　ＲＬ　放电时的电流　ＩＯ　在　ＲＳＮＳ　两端产生的压降为　ＶＳ（ｔ）＝ＩＯ（ｔ）×ＲＳＮＳ．电量计持续检测　ＲＳＮＳ　两端的压差　ＶＳ，并将其通过　ＡＤＣ　转换为　Ｎ　位的数字量　Ｃｕｒｒｅｎｔ（简称　ＣＲ），之后以时基确定的速率进行累加，Ｍ　位累加结果　Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ＿Ｃｕｒｒｅｎｔ（简称　ＡＣＲ）的单位为　Ｖｈ（伏时）．对量化后的　ＶＳ　进行累加相当于对其进行积分，结果为：
电池电量．因此，将　ＡＣＲ　值除以检流电阻　ＲＳＮＳ　的阻值即得到以　Ａｈ（安时）　为单位的电池容量．ＡＤＣ　转换结果和累加后的结果都带有符号位，按照图　１　中的连接方式，　充电时　ＣＲ　为正，ＡＣＲ　递增；放电时　ＣＲ　为负，ＡＣＲ　递减．外部微　控制器可以读取　ＣＲ　和　ＡＣＲ　值，经过换算得到真实的充放电电流和电量值．
实际的电量计还包括一些控制和接口逻辑，通常还能检测电池电压和温度等参数．一些智能电量计可以自动完成电池自放电的修正，还可保存电池特性曲线，允许用户定　制电池电量计算法．
电池电量计的计算　通常，在电量计数据资料中　ＣＲ　的单位为　ｍＶ，ＡＣＲ　的单位为　ｍＶｈ．　根据前文的说明，ＣＲ　值为取样电阻两端的电压值，典型的　１２ｂｉｔＣＲ　如表　２　所示．　其中，Ｓ　为符号位，２０　为　ＬＳＢ．如果　ＣＲ　的满偏值为　Ｆ，则其　ＬＳＢ　的计算公式如下： （１）　若　ＣＲ　的读数为　Ｍ，取样电阻为值　ＲＳＮＳ，则实际的电流值为：
（２）
电流方向由　Ｓ　位确定．若满偏值　Ｆ　为±６４ｍＶ，则　ＬＳＢ　为±１５．６２５μＶ；ＲＳＮＳ　为　１０ｍ　时最大电流为±６．４Ａ．若　Ｍ　为　７６８，则实际电流为：
．　ＡＣＲ　为取样电阻两端电压的累积值，典型的　１６ｂｉｔＡＣＲ　如表　３　所示．　其中，Ｓ　为符号位，２０　为　ＬＳＢ．如果　ＡＣＲ　的满偏值为　Ｆ，则　ＬＳＢ　的计算公式如下：
（３）　净电荷量由　Ｓ　位确定．若满偏值　Ｆ　为±２０４．８４ｍＶｈ，则　ＬＳＢ　为±６．２５μＶｈ；ＲＳＮＳ　为　１０ｍ　时最大电量为±２０．４８Ａｈ．若　Ｍ　为　７６８０，则实际电量为
．　结语　本文在介绍了电池电量计的原理之后，给出了一些简单的计算公式．设计者可以方便的从电量计读数中计算出真实电量，从而加快设计过程．
１。