【導讀】圍繞電池電量監測，本文由ADI代理商駿龍科技的工程師Boris Wang為大家介紹ADI LTC2944 高至 60V 精準庫侖計方案，助力打造高性能電池監測係統


，涵蓋電池設備的普及性、準確電量監測的重要性以及電量測量的原理，以及對 LTC2944 的內部結構
、工作原理以及具體的庫侖計方案進行深入解析。

電池設備的普及應用

從手機電腦
、電動自行車、電動工具，再到新能源汽車、醫療儀器
、gongyeshebei，dianchiyijingchengweiyuelaiyueduodianzichanpindebiaopeibujian。youqishiqingbiandelilizidianchidedansheng

，rangsuoyoushebeituolidianyuanxianchengweilekeneng。zhexieshebeikeyixianshidangqiandeshengyudianlianghuoyunxingshijian，zheshichanpinshiyongzhongzuizhongyaodeyonghutiyanzhiyi。

隨著時間的推移，我們能夠明顯感受到，電池始終是會越來越不耐用的。有時候，這會形成一種 “續航焦慮”
，例如，雖然設備顯示剩餘 “10%” 的de電dian量liang
，然ran而er它ta可ke能neng在zai下xia一yi秒miao就jiu立li刻ke關guan機ji了le。在zai很hen多duo高gao功gong率lv多duo電dian池chi的de設she備bei中zhong，如ru果guo用yong戶hu沒mei有you足zu夠gou及ji時shi發fa現xian電dian池chi電dian量liang耗hao盡jin，就jiu可ke能neng會hui出chu現xian十shi分fen危wei急ji或huo嚴yan重zhong的de後hou果guo


，例li如ru臨lin床chuang醫yi療liao儀yi器qi的de突tu然ran斷duan電dian會hui危wei及ji病bing人ren生sheng命ming、工廠儀器的突然宕機會造成產線緊急關停。

如下圖 (圖1) 所(suo)示(shi)，為(wei)某(mou)型(xing)號(hao)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)循(xun)環(huan)壽(shou)命(ming)與(yu)放(fang)電(dian)深(shen)度(du)的(de)關(guan)係(xi)

，可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)看(kan)到(dao)，充(chong)放(fang)電(dian)約(yue)深(shen)度(du)
，電(dian)池(chi)可(ke)使(shi)用(yong)的(de)壽(shou)命(ming)越(yue)短(duan)。在(zai)日(ri)常(chang)的(de)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)中(zhong)，我(wo)們(men)很(hen)難(nan)去(qu)約(yue)束(shu)客(ke)戶(hu)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)習(xi)慣(guan)，因(yin)此(ci)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)往(wang)往(wang)是(shi)不(bu)可(ke)提(ti)前(qian)預(yu)測(ce)的(de)，必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)行(xing)而(er)有(you)效(xiao)的(de)電(dian)氣(qi)測(ce)量(liang)手(shou)段(duan)測(ce)量(liang)。

圖1 鋰電池的循環壽命與放電深度關係

如何精準地測量電池剩餘電量
、yucedianchizhenshixuhangnengli，shidianzigongchengjieyizhizhilijiejuedejishuwenti。youyudianchishiyizhongbuwendingdedianhuaxuexitong，duitadezhunquediancanshucaijijiuzhiguanzhongyao，shixiandianliangjiancegongnengxianranxuyaojingmiqiezhuanyongdemonidianlufangan。

高集成化電量監測

除了充電、保bao護hu和he電dian池chi平ping衡heng電dian路lu外wai，電dian池chi電dian量liang測ce量liang也ye是shi智zhi能neng多duo電dian池chi係xi統tong中zhong常chang見jian的de功gong能neng之zhi一yi。無wu論lun是shi什shen麼me樣yang的de電dian池chi供gong電dian設she備bei
，涉she及ji電dian池chi的de電dian路lu係xi統tong都dou麵mian臨lin著zhe一yi係xi列lie獨du特te的de設she計ji挑tiao戰zhan，因yin為wei電dian池chi的de電dian氣qi性xing質zhi總zong是shi在zai變bian化hua。例li如ru，電dian池chi的de最zui大da容rong量liang (也稱為健康狀態或 SOH) hezifangdiansulvzongshisuizheshijiandetuiyierjiangdi
，erchongdianhefangdiansulvyehuisuizhewendudebianhuaerbianhua。jingxinshejidedianchixitongkeyibuduandidongtaichulizhexiecanshubianhua，yibianweishiyongzhetigongyizhiqiezhunquededianchixingnengbianxiancanshu。duiyingdaoshijitiyanzhong，womenjiukeyizhunqueshuchuyixiezhibiao
，rangchanpingengju “高級感”
，包括：

●  當前剩餘充電時間

●  當前係統續航時間

●  預期電池壽命 (或剩餘充電次數) 

從目前電子行業的主流技術來看
，準確的電池電量測量功能，需要一個精準的電池庫侖計 IC 和相關的電池專用模型，最終係統是需要形成一個關鍵參數——荷電狀態 (SOC)。SOC 是指電池使用一段時間或長期擱置不用後，剩餘容量與其全新且完全充電狀態時的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為，SOC 是當前電池容量占最大容量的百分比。雖然市麵上有一些電量計 IC 集成了電池模型和算法
，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細分析就會發現，這些 IC 往往會以犧牲準確性為代價
，以簡化 SOC 的估計算法。

如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號 LTC2944 的庫侖計
，它可以支持到最高 60V 的de電dian池chi電dian壓ya，它ta提ti供gong的de是shi最zui基ji本ben的de精jing準zhun庫ku侖lun計ji方fang案an，再zai由you用yong戶hu根gen據ju實shi際ji使shi用yong的de電dian池chi模mo型xing進jin行xing電dian量liang估gu計ji運yun算suan，實shi現xian電dian量liang計ji功gong能neng。這zhe是shi一yi種zhong嚴yan謹jin的de技ji術shu提ti供gong方fang式shi，將jiang不bu確que定ding因yin素su開kai放fang給gei用yong戶hu，以yi更geng自zi由you地di使shi用yong器qi件jian，兼jian容rong更geng多duo高gao精jing確que度du應ying用yong，下xia文wen將jiang進jin行xing進jin一yi步bu探tan討tao。

圖2 LTC2944 60V庫侖計方案

電量測量的原理

目前的研究表明，精確的庫侖計數、電壓、電流和溫度是準確估計 SOC 的先決條件，迄今為止，行業內能夠做到的 SOC 估計誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) suoshishigezhongdianchidedianxingchongfangdianquxian，zaichuantongdedianyaxingdianlianggujifangfazhong，zuikunnanzhichujiuzaipingtanchongfangdianqujiandedianliangguji

，yinweizheshidianchidianliangdebianhuazhihuidailaihenxiaodianyabianhua，yushihuichuxianxitongzaihenchangyiduanshijianneibaogao 75% 的 SOC，然後卻突然下降到 15% 的 SOC。

庫倫計數的方式，能夠很精確地確定當前電池處於曲線哪個位置，尤其是平坦區的位置。具體的方法是：

●  當電池充滿電時，用戶將庫侖計數器初始化為已知的電池容量。

●  在釋放庫侖時遞減計數或在充電庫侖時遞增計數 (能適應隻充一部分電的情況)。

這種方案最大的優勢在於，這種電量計算方式不需要知道電池的化學成分。由於 ADI LTC2944 集成了庫侖計數器，因此這款 IC 可以輕鬆地用於多種電池設備，與電池的化學性質無關。

圖3 各種類型電池的典型充放電曲線

在電路係統得到庫倫計數數據之後，軟件算法上

，要根據電池模型進行數學換算，以確定 SOC 的值
，如下圖 (圖4) 所(suo)示(shi)的(de)是(shi)一(yi)種(zhong)經(jing)典(dian)的(de)電(dian)池(chi)模(mo)型(xing)，涉(she)及(ji)到(dao)串(chuan)聯(lian)並(bing)聯(lian)的(de)多(duo)個(ge)參(can)數(shu)，實(shi)際(ji)上(shang)

，這(zhe)裏(li)還(hai)沒(mei)有(you)考(kao)慮(lv)比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)的(de)溫(wen)度(du)參(can)數(shu)影(ying)響(xiang)。模(mo)型(xing)分(fen)析(xi)與(yu)換(huan)算(suan)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)專(zhuan)業(ye)領(ling)域(yu)知(zhi)識(shi)，在(zai)此(ci)不(bu)進(jin)行(xing)贅(zhui)述(shu)，但(dan)可(ke)以(yi)確(que)定(ding)的(de)是(shi)

，這(zhe)個(ge)模(mo)型(xing)最(zui)基(ji)本(ben)要(yao)獲(huo)知(zhi)的(de)就(jiu)是(shi)電(dian)壓(ya)
、電流以及庫侖計數的參數數據。

圖4 經典的電池模型

精準的庫侖計方案

上文中提到了準確進行 SOC 分析的前提

，是準確得到電壓、電流、溫度
、庫侖計數參數。LTC2944 正是這樣一款能夠單芯片獲取所有參數的平台方案。它的外圍電路也十分簡單
，易於設計開發，將高精度的需求保障集成在芯片內部。

LTC2944 內部結構和工作原理

如下圖 (圖5) 所示為 LTC2944 的工作原理。從物理意義來說，電荷 (庫侖) 是電流在時間層麵的積分。LTC2944 通過監測采樣電阻兩端產生的電壓來測量電荷，這個電壓範圍是 ±50mV
，芯片對其的精度高達 99%。其中差分電壓被施加到自動調零的差分模擬積分器以換算電荷。

當積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) 時shi

，開kai關guan將jiang會hui切qie換huan以yi反fan轉zhuan電dian壓ya變bian化hua方fang向xiang。控kong製zhi電dian路lu將jiang觀guan察cha開kai關guan的de狀zhuang態tai和he電dian壓ya變bian化hua方fang向xiang以yi確que定ding極ji性xing。接jie下xia來lai，可ke編bian程cheng預yu分fen頻pin器qi允yun許xu用yong戶hu將jiang積ji分fen時shi間jian增zeng加jia 1 到 4096 倍。隨著預分頻器的每次下溢出或上溢出
，累積電荷寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個計數單位。

圖5 LTC2944 的工作原理

值得注意的是
，LTC2944 庫侖計數器中使用的模擬積分器引入了最小的差分偏移電壓，因此最大限度地減少了對總電荷誤差的影響。許多庫侖計 IC duigancedianzuqiliangduandedianyajinxingmoshuzhuanhuan
，bingleijizhuanhuanjieguoyituiduandianhe。zaizheyangdefanganzhong，chafenpianyidianyakenengshiwuchadezhuyaolaiyuan
，youqishizaixiaoxinhaoduquqijian。

例如，假設一個電量計方案中，是基於 ADC 原理的庫侖計數器，並具有 20uV 的最大指定差分電壓偏移水平，則該電壓偏移對 1mV 的輸入信號進行數字積分後，偏移導致的充電誤差為 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器
，電荷誤差僅為 0.04%，小了 50 倍。

極高的精度表現

當庫侖計工作在平坦充放電曲線的區間時，電流和溫度是係統需要獲取的關鍵參數。這種設計的挑戰在於，電池的端子電壓 (帶載時) 會受到電池電流和溫度的顯著影響。因此
，必須對電壓讀數進行校正補償，補償因子是與電池電流
、開路電壓 (空載時)
、溫wen度du成cheng比bi例li的de。在zai操cao作zuo過guo程cheng中zhong為wei了le測ce量liang開kai路lu電dian壓ya，就jiu需xu要yao斷duan開kai電dian池chi與yu負fu載zai的de連lian接jie，這zhe是shi不bu切qie實shi際ji的de
，因yin此ci實shi際ji操cao作zuo中zhong是shi根gen據ju電dian流liu和he溫wen度du曲qu線xian調tiao整zheng端duan子zi電dian壓ya讀du數shu。

由於獲得高 SOC 精度是係統最終設計目標
，LTC2944 使用 14 位無延遲 ΔΣADC 用於測量電壓、電流和溫度，精度分別高達 1.3% 和 ±3℃。事實上，LTC2944 的性能實際表現還要更好。如下圖 (圖6) 顯示了 LTC2944 中的某些精度值是如何隨溫度和電壓而變化的
，主要體現了以下三個規律特點。

●  當測量電壓時，ADC 總的未調整誤差小於 ±0.5%，且在感測電壓範圍內較恒定

●  當測量電流時
，ADC 增益誤差通常在工作溫度下小於 ±0.5%

●  對於任何給定的感測電壓
，溫度誤差僅隨溫度變化約 ±1 攝氏度

所有這些精度指標加在一起，就會顯著影響 SOC 的精度

，這就是為什麼電壓、電流和溫度的監測對電池電量計應用很重要。

圖6 LTC2944 各種精度表現圖

LTC2944 在測量電壓
、電流和溫度時，提供四種 ADC 操作模式。在自動模式下，芯片以幾毫秒的周期連續執行 ADC 轉換，而掃描模式是每 10 秒(miao)轉(zhuan)換(huan)一(yi)次(ci)，然(ran)後(hou)進(jin)入(ru)睡(shui)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)。在(zai)手(shou)動(dong)模(mo)式(shi)下(xia)

，芯(xin)片(pian)對(dui)命(ming)令(ling)執(zhi)行(xing)一(yi)次(ci)轉(zhuan)換(huan)，然(ran)後(hou)進(jin)入(ru)睡(shui)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)。每(mei)當(dang)芯(xin)片(pian)處(chu)於(yu)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)時(shi)，靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)都(dou)會(hui)降(jiang)至(zhi) 80uA。LTC2944 的整個模擬部分也可以完全關閉

，以將靜態電流進一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在係統中額外耗電的存在感進一步降低。

為何沒有電池模型？

用戶可以使用數字 I2C 接口從 LTC2944 讀取電池電量、電壓

、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C 配置幾個 16 位寄存器
，讀取狀態、控製開/關
，並為每個參數設置可報警的高閾值和低閾值。警報係統消除了連續軟件輪詢的需要，並釋放 I2C 總線和主機來執行其他任務。此外，ALCC 引腳既可用作 SMBus 警報輸出，也配置為充滿電或放空電的提示信號。有了所有這些數字功能，有人可能仍然會問
，“為什麼 LTC2944 沒有內置電池模型或 SOC 估計算法?” 答案很簡單，為了追求極致的準確性。

雖(sui)然(ran)具(ju)有(you)內(nei)置(zhi)電(dian)池(chi)配(pei)置(zhi)文(wen)件(jian)和(he)算(suan)法(fa)的(de)電(dian)量(liang)計(ji)芯(xin)片(pian)可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)，但(dan)它(ta)們(men)往(wang)往(wang)是(shi)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)電(dian)池(chi)做(zuo)的(de)不(bu)充(chong)分(fen)或(huo)不(bu)相(xiang)關(guan)的(de)模(mo)型(xing)，並(bing)在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)犧(xi)牲(sheng)了(le) SOC 的準確性。例如，用戶可能被迫使用由未知來源或未知溫度範圍內生成的充放電曲線；可能不支持精確的電池化學性質，這會對 SOC 精度造成更大影響。

關鍵是，精確的電池建模通常考慮許多變量
，並且足夠複雜
，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進行建模，以獲得最高水平的 SOC 精jing度du，而er不bu是shi依yi賴lai於yu不bu準zhun確que的de通tong用yong內nei置zhi模mo型xing。這zhe些xie內nei置zhi模mo型xing也ye使shi電dian量liang計ji功gong能neng變bian得de不bu靈ling活huo，難nan以yi重zhong複fu設she計ji到dao其qi他ta應ying用yong中zhong。實shi際ji調tiao試shi開kai發fa中zhong
，在zai軟ruan件jian中zhong進jin行xing SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。

此外，高電壓範圍也是 LTC2944 與當今市場上其他類似功能產品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電
，也可以由高達 60V 的滿電電池組供電，解決了從低功耗便攜式電子產品到高壓電動汽車的任何應用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡

，這可以進一步降低 LTC2944 電路的總功耗並提高精度。

總結

電池電量監測是一項複雜的電路設計工作
，因為有許多相互依賴的參數會影響 SOC。行業內普遍認可的是，準確的庫侖計數，加上電壓、電流和溫度讀數，是估計 SOC 的最準確方法。LTC2944 kulunjitigongsuoyouzhexiecanshudecelianggongneng，bingqieguyiguibileneibudianchijianmogongneng，yunxuyonghuzaitedingyingyongruanjianzhongshixianzijidexiangguanpeizhiwenjianhesuanfa。ciwai
，celianghepeizhijicunqikeyitongguo I2C 接口輕鬆實現，支持最高 60V 的電池係統，並且可用於任何化學成分的電池，最重要的是

，它的準確度是行業內無與倫比的。

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