充电电池电量计原理及计算方法

充电电池电量计原理及计算方法

充电电池电量计原理及计算方法

目前广泛使用的充电电池有铅酸电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/锂聚合物电池等。 这些电池的特性如表1所示。

铅酸电池容量大，内阻低（一般400Ah 2V电池内阻为0.5mΩ左右），可以放电大电流。 但它们体积大、笨重，不便于携带。 它们通常用于汽车和工业场合。 其电极材料含有铅，会对环境造成很大的污染。 铅酸电池对充电控制要求不高，可以浮充。

镍镉电池容量大、内阻低、放电电压稳定，适合作为直流电源。 与其他类型电池相比，镍镉电池耐过充、过放，操作简单方便。 但它们具有记忆效应，应在完全放电后充电。 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起来的。 它们使用金属氢来代替有毒的镉，并且在大多数情况下可以代替镍镉电池。 其容量约为镍镉电池的1.5至2倍，且无记忆效应。 与镍氢电池相比，它对充电控制要求更高，目前广泛应用于一些便携式电子产品中。

锂离子电池是目前最常见的二次锂电池，能量密度高。 与高容量镍镉/镍氢电池相比，其能量密度是前者的1.5至2倍。 其平均工作电压为3.6V，是镍镉电池和镍氢电池的三倍。 它内阻较大，无法进行大电流充放电，需要精确的充放电控制，防止电池损坏并达到最佳性能。 锂离子电池广泛应用于各种便携式电子产品，包括手机、笔记本电脑、MP3播放器等。

锂聚合物电池是一种容量更大的新型二次锂电池； 较低的内阻，允许10C的充放电电流。 与锂离子电池一样，它需要精确的充放电控制。 目前，锂聚合物电池主要应用于需要大电流充放电的应用，例如动力/模型车等。 充电电池容量估算方法 在大多数便携式应用中，需要随时了解电池的剩余容量来估计电池寿命。

图 1 简化的电池电量计框图

最早应用的方法是通过监测电池开路电压来获取剩余容量。 这是因为电池端电压和剩余容量之间存在一定的关系。 测量电池端电压可以估算其剩余容量。 该方法的局限性在于： 1）对于不同厂家生产的电池，开路电压与容量的关系有所不同。 2）相对准确的结果只能通过测量电池空载时的开路电压来获得，但大多数应用需要知道电池在运行过程中的剩余容量。 此时负载电流在内阻上产生的压降会影响开路电压测量精度。 电池的内阻具有很大的离散性，并且随着电池的老化，这种离散性会变得更大，因此要补偿电压下降带来的误差将非常困难。 综上所述，通过开路电压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，只能提供粗略的参考值。

另一种广泛使用的方法是通过测量流入/流出电池的净电​​荷来估计剩余电池容量。 该方法对流入/流出电池的总电流进行积分，得到的净电荷就是剩余容量。 电池容量可以在随后的完全充电周期中预设或获知。 该方法在补偿电池自放电和不同温度下容量变化等因素后可以达到满意的精度，因此广泛应用于笔记本电脑等高端应用。

电池电量计的工作原理

电池电量计持续积分流入/流出电池的总电流，并使用积分的净电荷作为剩余容量。

简化的电池电量计如图1所示。其中，RSNS为mΩ级电流检测电阻，RL为负载电阻。 当电池通过开关和RSNS对RL放电时，电流IO在RSNS两端产生的压降为VS(t)=IO(t)×RSNS。 电量计不断检测RSNS两端的电压差VS，并通过ADC将其转换为N位数字量（简称CR），然后以时基确定的速率累加。 M位累加结果（简称ACR）的单位是Vh。 （傅士）。 将量化后的VS累加相当于对其进行积分，结果为。

电池电量。 因此，将 ACR 值除以电流检测电阻 RSNS 的阻值即可得到电池容量，单位为 Ah（安培小时）。 ADC 转换结果和累加结果都有符号位。 根据图1的连接方法，充电时CR为正，ACR增大； CR为负值，放电时ACR降低。 外部微控制器可以读取CR和ACR值，转换后得到真实的充放电电流和功率值。

实际的电量计还包括一些控制和接口逻辑，经常检测电池电压和温度等参数。 有些智能电量计可以自动修正电池自放电，还可以保存电池特性曲线，允许用户自定义电池电量计算方法。

电池电量计计算

通常电量表数据中CR的单位是mV，ACR的单位是mVh。

根据前面的解释，CR值就是采样电阻两端的电压值。 典型的 12 位 CR 如表 2 所示。

其中，S为符号位，20为LSB。 若CR的全偏置值为F，则其LSB的计算公式如下：

(1) 若CR的读数为M，采样电阻为RSNS，则实际电流值为：

(2) 电流方向由S位决定。 若满偏置值F为±64mV，则LSB为±15.625μV； 当RSNS为10mΩ时，最大电流为±6.4A。 如果M为768，则实际电流为。

ACR是采样电阻两端电压的累积值。 典型的 16 位 ACR 如表 3 所示。

其中，S为符号位，20为LSB。 若ACR的满偏置值为F，则LSB的计算公式如下：

(3) 净电荷由S位决定。 若满偏置值F为±204.84mVh，则LSB为±6.25μVh； 当RSNS为10mΩ时，最大功率为±20.48Ah。 如果M为7680，则实际功率为。

结论

本文在介绍了电池电量计的原理后，给出了一些简单的计算公式。 设计人员可以根据电量表读数轻松计算出实际电量，从而加快设计过程。