通過計算庫倫量確定電池充電狀態(tài)

引言

不可再充電電池 (或“主電池”) 一度被認為是已經(jīng)過時的技術，現(xiàn)在正在經(jīng)歷新一輪復興。盡管這類電池不能重復充電，但是這些主電池 [例如鋰亞硫酰氯 (Li-SOCI2) 電池] 仍然可以為用戶提供很多好處，包括高能量密度、即時就緒、很低的自放電量、合理的壽命和環(huán)保性 (相對容易處置)。在有些應用中，更換電池不切實際、成本太高，或者電池放置位置難以接近，不可再充電電池常常用于這類應用。這類應用包括軍用、財產(chǎn)跟蹤、遠程監(jiān)視和無線傳感器網(wǎng)絡。這類電池通常采用各種化學組成，兩種最流行的電池是堿性電池和鋰電池。

相比之下，可再充電電池 (或“輔助電池”) 提供不同的好處 (即使這類電池的初始成本較高)，采用鉛酸、鎳、鋰離子等各種化學組成。這類電池的優(yōu)點包括可重用性、經(jīng)濟性 (因為充電系統(tǒng)的成本可以分散在很多使用周期中) 和良好的功率密度 (能夠快速提供能量)。不過，人們認為這類電池不夠環(huán)保，而且視系統(tǒng)配置的不同而不同，這類電池有潛在的低能量密度 (將電池電量看作儲存的能量) 的缺點。參見圖 1。

圖 1：可再充電電池與主電池的能量密度比較

(數(shù)據(jù)來源：Battery University)

部署在遙遠地點的應用有一些特點更適合使用主電池，例如在長時間內(nèi)需要很小的負載電流，給這類應用更換電池成本太高，也不切實際。

需要考慮的主電池運行時間問題

主電池盡管有這么多優(yōu)點，但還是有一些特性不利于某些應用，尤其是承擔不起任何宕機的應用，而主電池如果完全放電，就會引起宕機。在這類應用中，基于電池充電狀態(tài) (SoC) 查明剩余運行時間是非常重要的。有些主電池的放電曲線非常平坦，如圖 2 所示，例如鋰亞硫酰氯電池。

這種特性導致非常難以確定或預測剩余電池電量。

圖 2：Tadiran 公司 TL-4930 型號主電池的放電曲線

(數(shù)據(jù)來源：Tadiran 公司)

理想情況下，通過簡單的電池電壓測量，應該足以估計電池的充電狀態(tài)了。但是，平坦的放電曲線意味著，在電池幾乎 99% 沒電之前，通過測量電池電壓，無法推斷出很多有關充電狀態(tài)的任何信息。對很多電池化學組成而言，用這種常見的電壓測量方法確定 SoC 都很有效，但是對鋰亞硫酰氯電池或其他放電曲線很平坦的電池卻不奏效。

另一種估計充電狀態(tài)的方法是加上一個負載并測量壓降，然后比較測得的數(shù)據(jù)和查閱表中的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 壓降，查閱表隨電池類型的不同而不同。使這種方法變得復雜的一個因素是，電池 ESR 往往強烈受到溫度的影響。因此，為了采用這種方法而甚至使用準確的遠程檢測也需要精準的認識和測量電池溫度。否則就無法區(qū)分被觀察電池的 ESR 變化是由 SoC 變化導致，還是由溫度變化所引起。

另一種間接“測量” SoC的方法是，完備地描述負載的各種條件，然后測量每節(jié)電池的總運行時間。例如，很多用戶都按照固定的時間表更換所有電池，該時間表對應 40% 的SoC 或某一預定值。但是，這種方法沒有最大限度利用電池運行時間。此外，如果發(fā)生了電路板故障或其他某種情況，而導致負載比預期高 2 到 3 倍時，那么這種“開環(huán)”方法就不管用了，因為電池運行時間會迅速縮短。

相比之下，另一種更加準確的方法是“庫倫計數(shù)”，這種方法測量流出電池的庫倫量。過去，采用庫倫計數(shù)方法的成本一直很高，所以這種方法很少使用。不過，這種方法非常有效，是惟一能夠準確測量從電池流出庫倫量的方法。如果電池的初始電量已知，或規(guī)定了電池的初始電量，那么剩余電量就可以準確地基于庫倫計數(shù)確定。

主電池面臨的其他挑戰(zhàn)

主電池不能接受過大的浪涌電流，但是具備可編程峰值輸入電流的 DC/DC 穩(wěn)壓器可以減輕這種限制。此外，主電池有很大的內(nèi)部電阻，這個特點會導致在負載影響下出現(xiàn)電壓急降，因此較輕的負載更適合這類電池。還有，這類電池往往功率密度較低，不能很快提供能量。因此，這類電池更適合長壽命、輕負載的應用情況，而不是需要快的或大的能量突發(fā)的應用。最后，運行時吸取過大靜態(tài)電流的 DC/DC 穩(wěn)壓器 IC 將消耗電池電量，因此對運行時間產(chǎn)生負面影響，這是另一個潛在的系統(tǒng)缺點。為了減輕這些影響，可以使用微功率甚至更好的毫微功率穩(wěn)壓器，以最大限度降低所吸取的電流，并最大限度延長電池運行時間。

降壓-升壓型穩(wěn)壓器

如今，功能豐富的電子設備之電源軌數(shù)量不斷增加，同時工作電壓在不斷下降。不過，很多系統(tǒng)仍然需要 3V、3.3V 或 3.6V 電源軌，以給低功率傳感器、存儲器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電。過去，這些電壓軌一直由降壓型開關穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 提供。然而，這類 IC 沒有充分利用電池的全部工作范圍，因此縮短了設備電池的可能運行時間。因此，使用降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器 (可以將電壓提高或降低) 時，就允許利用電池的全部工作范圍。這提高了運行裕度，延長了電池運行時間，因為更多的電池可用電量得到了利用，尤其是靠近電池放電曲線的較低端時。

具備庫倫計數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

顯然，滿足主電池系統(tǒng)應用需求并能夠解決上述問題的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案應該具備以下特性：

1)降壓-升壓型 DC/DC 架構(gòu)，具備很寬的輸入電壓范圍，通過各種電池供電電源、在與電源相關的電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié) Vout

2)在運行模式和停機模式均具備超低靜態(tài)電流以延長電池運行時間

3)能夠以高效率給系統(tǒng)軌供電

4)能夠準確地計算庫倫量以確定電池充電狀態(tài)，且不會顯著影響 IC 靜態(tài)電流 (電池消耗)

5)電流限制以衰減浪涌電流，從而保護電池

6)尺寸小、重量輕和扁平的解決方案

7)先進的封裝以提高熱性能和空間利用率

幸運的是，凌力爾特最近推出的產(chǎn)品 LTC3335 就具備了上述所有特性，這是一款集成了庫倫計數(shù)器的毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器。該器件為主電池應用而設計，這類應用需要真正的低靜態(tài)電流，還需要知道有關剩余電池電量的信息。或者說，需要知道庫倫計數(shù)器檢測到的潛在電池組件或負載泄漏達到什么程度，才可以確認系統(tǒng)出現(xiàn)故障。參見以下圖 3。

圖 3：集成了庫倫計數(shù)器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器LTC3335

LTC3335 是一款高效率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置了精確的庫倫計數(shù)器，可提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流。該器件具備僅為 680nA 的靜態(tài)電流和從低至 5mA 到高達 250mA 的可編程峰值輸入電流，非常適合多種低功率電池應用，例如可穿戴設備和 IoT (物聯(lián)網(wǎng)) 設備中的那類電池應用。其 1.8V 至 5.5V 輸入范圍和 8 個 1.8V 至 5V 的用戶可選輸出提供了一個穩(wěn)定的輸出電源，輸入電壓可以高于、低于或等于輸出。此外，該器件集成了精確的 (電池放電測量準確度為 ±5%) 庫倫計數(shù)器，在長壽命不可再充電電池供電應用中，可準確監(jiān)視累計電池放電量，這類電池供電應用很多都有極度平坦的電池放電曲線。典型應用包括無線傳感器、遠程監(jiān)視器和凌力爾特 Dust Networks® SmartMesh® 系統(tǒng)。LTC3335 包括 4 個內(nèi)部低 RDSON MOSFET，可提供高達 90% 的效率。其他特點包括可編程放電報警門限、用于庫倫計數(shù)和器件設定的 I2C 接口、一個電源良好輸出、以及 8 個從 5mA 至 250mA 的可選峰值輸入電流，以適合多種類型和尺寸的電池。LTC3335 的工作結(jié)溫范圍為 -40°C 至 +125°C，采用耐熱增強型 20 引線 3mm x 4mm QFN 封裝。圖 4 顯示了一個典型的應用電路。

圖 4：簡化的 LTC3335 應用原理圖

結(jié)論

可再充電“輔助”電池可以在大量應用中見到，不過對不可再充電主電池應用出現(xiàn)了復蘇的需求，例如軍用、遠程監(jiān)視或無線傳感器系統(tǒng)。主電池有很多優(yōu)勢，但是也有幾種特性使其難以用于很多設計中：平坦的放電曲線、在有浪涌電流時不能很好地運行、以及較適合用于輕負載情況。

庫倫計數(shù)是一種預測剩余電池電量的可靠方法。降壓-升壓型架構(gòu)是有利的，因為這種結(jié)構(gòu)在輸入等于、高于或低于輸出時都能調(diào)節(jié) Vout，這在電池供電時可盡量延長運行時間。有效地給小電流遠程監(jiān)視應用供電可以證明是非常具有挑戰(zhàn)性，不過凌力爾特公司提供了一系列尖端產(chǎn)品，這些產(chǎn)品功率很低，性能很高。一個功耗達到毫微量級的器件是 LTC3335 降壓-升壓型穩(wěn)壓器，該器件集成了庫倫計數(shù)器和電流限制，為各種不可再充電電池供電的輕負載應用延長電池運行時間提供了極富吸引力的解決方案。