芯耀
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本文原創(chuàng)：硬件大熊，作者：雕塑者
IOT產(chǎn)品如智能手環(huán)、電動(dòng)牙刷、智能門鎖等，這些具有多功能特性的設(shè)備要求電池必須能夠提供更多的供電能力以及更長的運(yùn)行時(shí)間。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常將注意力集中在提高電源轉(zhuǎn)換效率、配置芯片休眠模式、提高電池容量等方面。然而，關(guān)于電池電量檢測的精度的檢測問題卻很容易被忽略。
問：為什么要關(guān)注電池電量檢測精度？
答：我們花費(fèi)極大精力對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化，然而電池電量檢測的誤差范圍卻是±10%，那么意味著系統(tǒng)低電量報(bào)警時(shí)，有10%電池容量或運(yùn)行時(shí)間此時(shí)并未處于需要報(bào)警的地步。
關(guān)于電池電量檢測常見的有如下幾種方案——
庫侖計(jì)計(jì)量
庫侖計(jì)計(jì)數(shù)的基本原理是對(duì)流入、流出電池的電流進(jìn)行積分算法，在實(shí)際應(yīng)用上通常使用專用IC進(jìn)行檢測統(tǒng)計(jì)。對(duì)于可充放電的電池而言，這種方法非常有效，但是對(duì)于不可充電電池，如智能門窗傳感器中的紐扣電池，設(shè)計(jì)者無法知曉用戶用的是哪家品牌的電池，因此沒有一個(gè)準(zhǔn)確的電池初始容量數(shù)據(jù)，由于一次性使用的電池用完即報(bào)廢，因此沒有所謂的充電電流。庫侖計(jì)只有在完全充電以后立即進(jìn)行完全放電才能對(duì)電池的容量進(jìn)行更新，這種弊端在便攜式的IOT產(chǎn)品中非常明顯。
另外，庫侖計(jì)本身在工作時(shí)功耗也是不可忽略的點(diǎn)，以TI的BQ76920庫侖計(jì)芯片為例，開啟ADC采集的模式下，自身消耗的功耗可以達(dá)到130uA，對(duì)于便攜式IOT產(chǎn)品而言，這樣的功耗可能已經(jīng)遠(yuǎn)超自身功耗了。
電池電壓檢測
檢測電池的電壓，通過電池電壓數(shù)據(jù)等效判定電量的高低。這種設(shè)計(jì)通常會(huì)使用一個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計(jì)者可以把檢測電阻調(diào)整至M級(jí)別以減小對(duì)電池的電量損耗。這種設(shè)計(jì)相對(duì)比較直觀，但由于電池內(nèi)阻的存在，只有在未對(duì)電池進(jìn)行大電流抽電的情況下，所檢測到的電壓才與電池電量具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。在電池老化，以及使用環(huán)境處于低溫狀態(tài)下時(shí)，檢測到的電量誤差會(huì)更加大。
阻抗跟蹤計(jì)量
電池的穩(wěn)態(tài)電路模型可以簡化為電壓源和電阻，電壓源相當(dāng)于電池開路電壓，電阻則相當(dāng)于電池內(nèi)阻。在大電流抽電的情況下，內(nèi)阻會(huì)分擔(dān)一部分的壓降，比如一節(jié)已經(jīng)使用了1年的干電池，在低溫0℃的情況下，內(nèi)阻可能達(dá)到0.5Ω，假設(shè)用前文的“電池電壓檢測”方案得到的電壓值為1.2V，單純從電壓的角度上來看該電壓足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)1V供電的馬達(dá)，但實(shí)際上，如果此時(shí)馬達(dá)的啟動(dòng)電流為1A，則在啟動(dòng)的一瞬間該電流若流過內(nèi)阻會(huì)造成0.5V的壓降。由此電池的輸出電壓為1.2-0.5=0.7V，0.7V的電壓無法驅(qū)動(dòng)該馬達(dá)，即：即使該電池電壓為1.2V，但在內(nèi)阻為0.5Ω的特性下仍無法驅(qū)動(dòng)該工作電壓為1V的馬達(dá)。
實(shí)際上，以恒定的電流對(duì)電池進(jìn)行放電，其放電曲線近似如下：
我們可以看到電池的放電曲線在中間過程會(huì)比較平坦，而在接近滿電量與低電量的時(shí)候電能下降速率明顯加快，這個(gè)與電化學(xué)反應(yīng)的特性有關(guān)。同樣，電池內(nèi)阻并非一個(gè)常數(shù)，該數(shù)值可以反饋電池的動(dòng)態(tài)放電性能。
關(guān)于阻抗的測試，介紹一個(gè)方法：首先在電池處于低電流輸出的情況下檢測電池電壓Ua，然后對(duì)電池進(jìn)行大電流I抽電(實(shí)際應(yīng)用過程中，為了避免不必要的電量浪費(fèi)，建議結(jié)合產(chǎn)品的大電流動(dòng)作進(jìn)行檢測)，待大電流抽電結(jié)束的瞬間，檢測電池的電壓Ub，則電池內(nèi)阻r=( Ua - Ub )/I。
測量電池電壓、內(nèi)阻，考慮靜態(tài)與動(dòng)態(tài)情況，再加入放電速度、工作溫度、老化程度、自放電特性等參數(shù)，則可將電池電量的計(jì)算與這些參數(shù)建立起具有函數(shù)關(guān)系的模型，此即：阻抗跟蹤計(jì)量。
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