獲取電量計(jì)應(yīng)用中的鋰電池特性
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
引言
要精確估算Li+電池的剩余電量，有必要了解電池特性如何隨著溫度和負(fù)載電流的變化而改變。本應(yīng)用筆記介紹了一種獲取Li+電池特性的方法，討論了如何采集并處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評(píng)估軟件，用于電量計(jì)應(yīng)用中。器件通過(guò)累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數(shù)據(jù)與已計(jì)算出的電池滿電量和空電量進(jìn)行比較，從而確定剩余容量。
獲取Li+電池特性的步驟
1. 確定充電和放電曲線
獲取Li+電池特性的最好辦法是創(chuàng)造一個(gè)盡可能與實(shí)際應(yīng)用相類似的環(huán)境。其中包括保護(hù)電路、放電曲線(包括實(shí)際應(yīng)用中有效電流和待機(jī)電流的典型值)、充電曲線、及應(yīng)用的周圍環(huán)境溫度。因此要求對(duì)電池充電和放電過(guò)程進(jìn)行模擬，并且要相應(yīng)調(diào)整工作溫度。通常情況下，應(yīng)該以10°C為步長(zhǎng)，在0°C至40°C范圍內(nèi)獲取各種電池特性參數(shù)。同時(shí)，評(píng)估軟件所要求的溫度點(diǎn)間隔也是10°C。
有效電流指用戶使用過(guò)程中Li+電池的典型輸出電流。待機(jī)電流指空閑狀態(tài)時(shí)Li+電池的典型輸出電流。
評(píng)估軟件電量計(jì)部分中Active Empty和Standby Empty分別對(duì)應(yīng)Li+電池以有效電流放電和待機(jī)電流放電到空電壓(由用戶定義)的點(diǎn)?？针娏奎c(diǎn)如圖1所示，相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)步驟5。用戶可以定義不同的有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。充電電路將Li+電池充分充電的點(diǎn)定義為滿電量點(diǎn)。有關(guān)使用內(nèi)置電量計(jì)的Dallas電池管理器件的詳細(xì)說(shuō)明，參見(jiàn)應(yīng)用筆記131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor。
圖1. 逐步放電過(guò)程中電壓與電流的關(guān)系
2. 校準(zhǔn)器件的失調(diào)寄存器
根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說(shuō)明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應(yīng)校準(zhǔn)器件的失調(diào)。借助于所選器件的評(píng)估軟件，可以很容易的對(duì)器件的失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)。確認(rèn)電路中沒(méi)有接入負(fù)載，然后點(diǎn)擊Meters標(biāo)簽中的Calibrate Offset按鈕。如果不使用評(píng)估軟件，可根據(jù)應(yīng)用筆記224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校準(zhǔn)失調(diào)。
3. 開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)
使用評(píng)估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進(jìn)入Data Log標(biāo)簽，設(shè)置Sample Interval為15秒并點(diǎn)擊Log Data。建議采用15秒的間隔時(shí)間，因?yàn)樵摃r(shí)間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數(shù)據(jù)點(diǎn)。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中，直到點(diǎn)擊Stop Logging Data按鈕。
4. 在室溫下激活電池
首先必須對(duì)電池進(jìn)行激活(break-in)。通常，在Li+電池壽命的初期其容量將有百分之幾的波動(dòng)。因此，建議在測(cè)試電池特性之前使其經(jīng)過(guò)20次完全充放電周期。在這一過(guò)程中無(wú)需記錄數(shù)據(jù)，但如果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶監(jiān)視其他電池失調(diào)參數(shù)，以用于最終數(shù)據(jù)分析。
5. 從最高溫度開(kāi)始校準(zhǔn)
通常建議從最高溫度開(kāi)始測(cè)試電池的特性，因?yàn)榇藭r(shí)Li+電池容量最大，適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點(diǎn)。設(shè)定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機(jī)空電量點(diǎn)。隨后，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求的充電曲線對(duì)電池充分充電，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是該溫度下的滿電量點(diǎn)。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶定義的有效空電壓，以確定有效空電量點(diǎn)。最后，將負(fù)載變?yōu)榇龣C(jī)電流并繼續(xù)放電，直至電壓降到待機(jī)空電壓，以確定待機(jī)空電量點(diǎn)。
如果想加速該過(guò)程，用戶可以將電流從有效電流逐步降低至待機(jī)電流。如圖1所示，設(shè)定有效電流為200mA，待機(jī)電流為5mA，兩種情況下的空電壓均定義為3.3V。采用200mA的電流將電池放電至3.3V，使電壓降到有效空電量點(diǎn)，然后，經(jīng)過(guò)幾秒鐘后，再以100mA的電流對(duì)電池放電，使其再次達(dá)到空電壓點(diǎn)。隨后放電電流逐步降低，從50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后電池電壓穩(wěn)定在空電壓，該點(diǎn)即為待機(jī)空電量點(diǎn)。這樣，不需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的5mA放電過(guò)程，即可使電池快速達(dá)到相同的空電量點(diǎn)。
6. 在各個(gè)溫度下重復(fù)操作
一旦到達(dá)某一溫度的待機(jī)空電量點(diǎn)，立即轉(zhuǎn)入下一個(gè)溫度，并開(kāi)始對(duì)電池充電直至電池滿充。充電完成后即到達(dá)該溫度的滿電量點(diǎn)。然后將電池放電到有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。在所有需要的溫度上重復(fù)上述操作，完成對(duì)電池特性的測(cè)量。
從特性參數(shù)中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)
評(píng)估軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導(dǎo)入電子表格。然后可以通過(guò)分類或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數(shù)據(jù)。
7. 找出所有需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)
用戶可以對(duì)記錄文件里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，標(biāo)記出所有滿電量點(diǎn)、有效空電量點(diǎn)以及待機(jī)空電量點(diǎn)。完成上述過(guò)程的簡(jiǎn)單辦法是，瀏覽所有數(shù)據(jù)，查找Current列并觀察電流讀數(shù)的變化情況，并且在電子表格中沒(méi)有用到的列插入“x”。例如，當(dāng)電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時(shí)，記為滿電量點(diǎn)；當(dāng)電池停止以有效電流放電時(shí)，記為有效空電量點(diǎn)；當(dāng)電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時(shí)，記為待機(jī)空電量點(diǎn)。然后通過(guò)電子表格的自動(dòng)篩選(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各個(gè)重要的標(biāo)記點(diǎn)。
表1給出了獲取 Li+電池特性時(shí)，使用DS2761采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)篩選后，標(biāo)記出的各個(gè)重要數(shù)據(jù)點(diǎn)的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達(dá)到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點(diǎn)即為滿電量點(diǎn)。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)有效空電量點(diǎn)。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點(diǎn)則對(duì)應(yīng)待機(jī)空電量點(diǎn)。分別在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下獲取電池特性參數(shù)。
如果在步驟4的電池激活過(guò)程中記錄了數(shù)據(jù)，可以對(duì)空電量點(diǎn)進(jìn)行比較，以判斷其是否有增加或減少，進(jìn)而判斷電流值是否存在失調(diào)。因?yàn)槭窃诤銣貤l件下完成這一激活過(guò)程，所以如果不存在任何失調(diào)，則所有空電量點(diǎn)將完全相同。如果存在失調(diào)，則應(yīng)該根據(jù)ACR列所引入的失調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的修正，從而準(zhǔn)確測(cè)量Li+電池特性。
表1. Li+電池特性參數(shù)
Time | Voltage | Current | Temperature | ACR | Mark | Label |
1:13:26 AM | 3.25 | 918.317 | 40 | 62.38 | x | Start |
2:12:41 AM | 4.158 | 480.817 | 40 | 927.97 | x | Break |
2:41:34 AM | 4.197 | 68.688 | 39.75 | 1032.7 | x | Full |
5:26:54 AM | 3.035 |
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