獲取電量計應用中的鋰電池特性
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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(zhù)溫度和負載電流的變化而改變。本應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據，并將數據載入Dallas電池管理器件的評估軟件，用于電量計應用中。器件通過(guò)累積電流寄存器(ACR)監視流入和流出Li+電池的電流，并將ACR的數據與已計算出的電池滿(mǎn)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(xiàn)
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)際應用相類(lèi)似的環(huán)境。其中包括保護電路、放電曲線(xiàn)(包括實(shí)際應用中有效電流和待機電流的典型值)、充電曲線(xiàn)、及應用的周?chē)h(huán)境溫度。因此要求對電池充電和放電過(guò)程進(jìn)行模擬，并且要相應調整工作溫度。通常情況下，應該以10°C為步長(cháng)，在0°C至40°C范圍內獲取各種電池特性參數。同時(shí)，評估軟件所要求的溫度點(diǎn)間隔也是10°C。
有效電流指用戶(hù)使用過(guò)程中Li+電池的典型輸出電流。待機電流指空閑狀態(tài)時(shí)Li+電池的典型輸出電流。
評估軟件電量計部分中Active Empty和Standby Empty分別對應Li+電池以有效電流放電和待機電流放電到空電壓(由用戶(hù)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(hù)可以定義不同的有效空電量點(diǎn)和待機空電量點(diǎn)。充電電路將Li+電池充分充電的點(diǎn)定義為滿(mǎn)電量點(diǎn)。有關(guān)使用內置電量計的Dallas電池管理器件的詳細說(shuō)明，參見(jiàn)應用筆記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. 校準器件的失調寄存器
根據器件數據資料的說(shuō)明，將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后，應校準器件的失調。借助于所選器件的評估軟件，可以很容易的對器件的失調進(jìn)行校準。確認電路中沒(méi)有接入負載，然后點(diǎn)擊Meters標簽中的Calibrate Offset按鈕。如果不使用評估軟件，可根據應用筆記224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校準失調。
3. 開(kāi)始記錄數據
使用評估軟件可以很容易的記錄數據。只需進(jìn)入Data Log標簽，設置Sample Interval為15秒并點(diǎn)擊Log Data。建議采用15秒的間隔時(shí)間，因為該時(shí)間間隔可以保證在不生成太大文件的前提下，能記錄所有需要數據點(diǎn)。所有實(shí)時(shí)數據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)需記錄數據，但如果進(jìn)行數據記錄有助于用戶(hù)監視其他電池失調參數，以用于最終數據分析。
5. 從最高溫度開(kāi)始校準
通常建議從最高溫度開(kāi)始測試電池的特性，因為此時(shí)Li+電池容量最大，適合作為其他數據的參考點(diǎn)。設定電池工作在最高溫度下，將電池充分放電至待機空電量點(diǎn)。隨后，根據實(shí)際應用要求的充電曲線(xiàn)對電池充分充電，這一點(diǎn)對應的是該溫度下的滿(mǎn)電量點(diǎn)。之后，將電池以有效電流充分放電至用戶(hù)定義的有效空電壓，以確定有效空電量點(diǎn)。最后，將負載變?yōu)榇龣C電流并繼續放電，直至電壓降到待機空電壓，以確定待機空電量點(diǎn)。
如果想加速該過(guò)程，用戶(hù)可以將電流從有效電流逐步降低至待機電流。如圖1所示，設定有效電流為200mA，待機電流為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的電流對電池放電，使其再次達到空電壓點(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定在空電壓，該點(diǎn)即為待機空電量點(diǎn)。這樣，不需要經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的5mA放電過(guò)程，即可使電池快速達到相同的空電量點(diǎn)。
6. 在各個(gè)溫度下重復操作
一旦到達某一溫度的待機空電量點(diǎn)，立即轉入下一個(gè)溫度，并開(kāi)始對電池充電直至電池滿(mǎn)充。充電完成后即到達該溫度的滿(mǎn)電量點(diǎn)。然后將電池放電到有效空電量點(diǎn)和待機空電量點(diǎn)。在所有需要的溫度上重復上述操作，完成對電池特性的測量。
從特性參數中篩選關(guān)鍵數據點(diǎn)
評估軟件將實(shí)時(shí)數據以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中，方便導入電子表格。然后可以通過(guò)分類(lèi)或繪制圖表的方式，篩選出所需要的數據。
7. 找出所有需要的數據點(diǎn)
用戶(hù)可以對記錄文件里的數據進(jìn)行分類(lèi)，標記出所有滿(mǎn)電量點(diǎn)、有效空電量點(diǎn)以及待機空電量點(diǎn)。完成上述過(guò)程的簡(jiǎn)單辦法是，瀏覽所有數據，查找Current列并觀(guān)察電流讀數的變化情況，并且在電子表格中沒(méi)有用到的列插入“x”。例如，當電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時(shí)，記為滿(mǎn)電量點(diǎn)；當電池停止以有效電流放電時(shí)，記為有效空電量點(diǎn)；當電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時(shí)，記為待機空電量點(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)重要的標記點(diǎn)。
表1給出了獲取 Li+電池特性時(shí)，使用DS2761采集數據，經(jīng)過(guò)篩選后，標記出的各個(gè)重要數據點(diǎn)的范例。本例中，電池以900mA的恒定電流充電，直至電壓達到4.2V。然后繼續充電保持電池電壓穩定在4.2V，直到電流逐漸降至70mA，該點(diǎn)即為滿(mǎn)電量點(diǎn)。電池以350mA電流放電，直至電壓降到3.0V，這一點(diǎn)對應有效空電量點(diǎn)。電池以3mA電流放電至電壓降到2.7V，這一點(diǎn)則對應待機空電量點(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。
如果在步驟4的電池激活過(guò)程中記錄了數據，可以對空電量點(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。因為是在恒溫條件下完成這一激活過(guò)程，所以如果不存在任何失調，則所有空電量點(diǎn)將完全相同。如果存在失調，則應該根據ACR列所引入的失調對數據進(jìn)行響應的修正，從而準確測量Li+電池特性。
表1. Li+電池特性參數
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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