基于鋰離子電池的 MP3代替 A/D 轉換器的低成本方案

最初面世的電池電量計是以庫侖計量法為基礎的，采用這樣的計量方法有著(zhù)很堅實(shí)的理論依據，因為對電流積分便可得到電量是個(gè)很基礎的物理常識，順著(zhù)這個(gè)思路得到產(chǎn)品也就很正常了，只是這樣的操作存在一個(gè)問(wèn)題，你得知道積分的零點(diǎn)在哪里，也需要知道積分的滿(mǎn)點(diǎn)在哪里，這樣才能得到準確的計量，知道每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的電池儲能狀態(tài)在其整個(gè)容量當中所占的比例即荷電狀態(tài)（SoC，State ofCharge）。由于知道庫侖計量法的原理，我在很多年前開(kāi)始使用第一臺智能手機的時(shí)候就會(huì )經(jīng)常去做一個(gè)動(dòng)作，把電池電量用盡關(guān)機以后再給它充電到滿(mǎn)電，目的就是告訴它零點(diǎn)是什么，滿(mǎn)點(diǎn)又是什么，否則就會(huì )常常出現可能顯示還有 10% 電量時(shí)就突然關(guān)機了的問(wèn)題。

顯示電量還有 10% 就突然關(guān)機，其中涉及的實(shí)際情況是電池實(shí)際電量已經(jīng)支撐不住它的外顯電壓了，系統因為電池電壓太低而主動(dòng)關(guān)機，而這時(shí)候它所使用的電量計所報告的電量還能支撐它工作很久，于是兩者之間就發(fā)生了矛盾，最終取勝的當然是物理限制本身，可以任意被人支配的數據在這時(shí)候是一點(diǎn)也沒(méi)有意義的。這樣的狀況如果是發(fā)生在一臺設計良好的系統里，它便能從斷電關(guān)機這一事實(shí)得到電池電量實(shí)際零點(diǎn)的位置，為它的下一個(gè)計量周期做好最充分的準備，使下一次的計量更準確一點(diǎn)，而這也就是我主動(dòng)讓手機工作到主動(dòng)關(guān)機為止的理論依據。

庫侖計量法導致電量計算誤差是有原因的，一是電池本身的特性在隨著(zhù)環(huán)境、時(shí)間的影響而發(fā)生變化，這些變化都可以從其內阻的變化上反映出來(lái)；二是電池本身存在自放電，在電池外接電路上進(jìn)行電流測量根本就不能反映這個(gè)部分的影響；三是信號采樣的誤差，因為沒(méi)有任何數模轉換器能夠準確反映現實(shí)世界的模擬信號本身，就像國家統計局發(fā)布的 GDP 數據沒(méi)有辦法將我家請一個(gè)鐘點(diǎn)工的勞動(dòng)報酬反映出來(lái)一樣，而同樣的問(wèn)題在所有的數?；旌舷到y中都是存在的，所以我們能得到的數據都只能作為參考，不能當作是真的；四是任何數模轉換系統都不能以連續的方式收集到每時(shí)每刻的電流信息，采樣只是在某些時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行的，這樣便不能反映實(shí)際電流的全部信息。這些問(wèn)題不僅會(huì )導致庫侖計量法在每一個(gè)當下的計量誤差，由于采用積分運算的緣故，它們還會(huì )被累積起來(lái)，時(shí)間越長(cháng)便會(huì )發(fā)生越大的影響，而像我那樣時(shí)不時(shí)地來(lái)一次清零的動(dòng)作就是在幫它做出重新的標定，盡可能使它回到離原點(diǎn)最近的地方。

我在工作中最初與電量結緣是因為要為使用鋰離子電池的 MP3 等設備提供一個(gè)可以代替 A/D 轉換器的低成本方案，那時(shí)利用的是可以由用戶(hù)自行設定檢測閾值的電壓檢測器 RT9801B，你只需要改變它幾個(gè)輸入端的狀態(tài)就可以達到目的，非常方便與 GPIO 端子有很多富余的數字系統連接，最終帶來(lái)降低系統成本的效果。這種方法能夠實(shí)施的原因從兩個(gè)數據可以看出來(lái)，其一是電池的放電曲線(xiàn)：

其二是 RT9801B 的電壓檢測閾值與其閾值設定端之間的關(guān)系：

系統設計者只需要根據已經(jīng)知道的當前電池電壓區間設定好新的電壓檢測閾值，當電池電壓變化到這個(gè)閾值的時(shí)候，RT9801B 輸出端的狀態(tài)就會(huì )發(fā)生變化，這樣便知道電池電量已經(jīng)到了新的水平了，隨即改變顯示在屏幕上的圖標狀態(tài)即可讓用戶(hù)知道當前的電池荷電情況。這種做法對電量的測量很不精確，但是已經(jīng)可以滿(mǎn)足當時(shí)的需要了，所以是可以被接受的，實(shí)際上就是到了今天也還有很多設備是這么做的，我最近購買(mǎi)的一臺洗車(chē)機就是這樣的電量顯示方式，對我來(lái)說(shuō)覺(jué)得已經(jīng)夠用了。

鋰離子電池的外顯電壓與其實(shí)際電量之間的關(guān)系并不是完全一一對應的，這與實(shí)際的負載情況有很大的關(guān)系，但是如果將電池開(kāi)路電壓、實(shí)際電壓與其儲能之間的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)做成算法，還是可以比較準確地計算出電池的荷電狀態(tài)，只不過(guò)由于缺少電流信息，實(shí)際的電池電量不能得出，能給出的是電池儲能的相對狀態(tài)，而且精度還很高，立锜的第一代電量計產(chǎn)品便是這樣做的，下面的數據可以告訴你它的精度水平：最大誤差可以做到 ±3% 以下。

由于只需測量電壓便可以獲得電池荷電狀態(tài)信息，這種電量計的應用電路便非常簡(jiǎn)單：

這給它帶來(lái)一個(gè)好處：只要將電量計和電池連接在一起，電量計很快就可以得出電池的荷電狀態(tài)信息，無(wú)需經(jīng)歷電池完全放電和充滿(mǎn)電的過(guò)程，因此在使用上就可以和電池分離，使電池成為可以隨時(shí)取出、隨時(shí)接入的部件，所以就可以被安裝在系統板上而不用像庫侖電量計那樣必須裝在電池包里。

僅僅利用電壓信息計算電池荷電狀態(tài)，最大的缺點(diǎn)是不能獲得具體的電池電量信息。假如在此基礎上再加入電流信息和電池的容量信息，此兩者便成為以電壓為基礎的電量計的補充資料，既能獲得電池的實(shí)際電量，又能對荷電狀態(tài)的計算誤差進(jìn)行修正，將計量準確性提高到一個(gè)全新的水平：《±1%，具體數據可參看下圖：

因為要測量電流，加入電流檢測電阻就是必要的了，于是形成了全新的應用電路圖：

在上圖中，電流檢測電阻連接在 RT9426 的 CSP 和 CSN 之間。為了提高安全性，RT9426 還加入了溫度檢測電路，可在溫度超過(guò)容許范圍時(shí)及時(shí)通知系統停止充電、放電等操作。

新功能的加入會(huì )讓電路變得復雜，但是這種付出是有價(jià)值的。如果你對型號為 RT9422A 的全新電量計產(chǎn)品進(jìn)行探索，會(huì )發(fā)現它有更顯復雜的應用電路：

因為它又加入了第二級安全控制電路，可在緊急狀況下切斷外接熔絲，使電池和外接電路的連接徹底斷開(kāi)以確保安全，此功能是獨立于鋰離子電池的保護電路而存在的。它還另外加入了使用 SHA-1/HMAC 算法的密鑰驗證機制，可對接入系統的電池進(jìn)行身份認證，而這在電路圖上是看不出來(lái)的，因為密鑰和計算結果的傳遞通過(guò) SDA/SCL 所代表的數據接口就可以傳輸了，不需要其他的電路進(jìn)行配合。

應用系統的需求不同，對所用電量計的選擇也不同，重點(diǎn)在于知道自己需要什么，同時(shí)也了解不同電量計的特性，這樣便可將兩者聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行選擇。無(wú)論你最后的選擇是什么，都需要知道準確計量的前提是要對電池特性有一個(gè)準確的了解，這需要通過(guò)測量電池特性并從所得數據中推算出電池的模型參數才能獲得，這就需要你和立锜技術(shù)支持團隊配合工作來(lái)進(jìn)行了，如果不進(jìn)行這步工作而直接使用，所得結果也可以使用并具有一定的參考價(jià)值，但其精度總是有限的。