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獲取電量計(jì)應(yīng)用中的鋰電池特性

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1121次  |  2019年11月20日  

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溫度和負(fù)載電流的變化而改變。本應(yīng)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(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)載入Dallas電池管理器件的評(píng)估軟件,用于電量計(jì)應(yīng)用中。器件通過(guò)累積電流寄存器(ACR)監(jiān)視流入和流出Li+電池的電流,并將ACR的數(shù)據(jù)與已計(jì)算出的電池滿電量和空電量進(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(yīng)用相類(lèi)似的環(huán)境。其中包括保護(hù)電路、放電曲線(包括實(shí)際應(yīng)用中有效電流和待機(jī)電流的典型值)、充電曲線、及應(yīng)用的周?chē)h(huán)境溫度。因此要求對(duì)電池充電和放電過(guò)程進(jìn)行模擬,并且要相應(yīng)調(diào)整工作溫度。通常情況下,應(yīng)該以10°C為步長(zhǎng),在0°C至40°C范圍內(nèi)獲取各種電池特性參數(shù)。同時(shí),評(píng)估軟件所要求的溫度點(diǎn)間隔也是10°C。


有效電流指用戶使用過(guò)程中Li+電池的典型輸出電流。待機(jī)電流指空閑狀態(tài)時(shí)Li+電池的典型輸出電流。


評(píng)估軟件電量計(jì)部分中ActiveEmpty和StandbyEmpty分別對(duì)應(yīng)Li+電池以有效電流放電和待機(jī)電流放電到空電壓(由用戶定義)的點(diǎn)??针娏奎c(diǎn)如圖1所示,相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)步驟5。用戶可以定義不同的有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。充電電路將Li+電池充分充電的點(diǎn)定義為滿電量點(diǎn)。有關(guān)使用內(nèi)置電量計(jì)的Dallas電池管理器件的詳細(xì)說(shuō)明,參見(jiàn)應(yīng)用筆記131:Lithium-IonCellFuelGaugingwithDallasSemiconductor。


圖1.逐步放電過(guò)程中電壓與電流的關(guān)系


2.校準(zhǔn)器件的失調(diào)寄存器根據(jù)器件數(shù)據(jù)資料的說(shuō)明,將Dallas電池管理器件與Li+電池正確連接后,應(yīng)校準(zhǔn)器件的失調(diào)。借助于所選器件的評(píng)估軟件,可以很容易的對(duì)器件的失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)。確認(rèn)電路中沒(méi)有接入負(fù)載,然后點(diǎn)擊Meters標(biāo)簽中的CalibrateOffset按鈕。如果不使用評(píng)估軟件,可根據(jù)應(yīng)用筆記224:CalibratingtheOffsetRegisteroftheDS2761,逐步校準(zhǔn)失調(diào)。


3.開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)使用評(píng)估軟件可以很容易的記錄數(shù)據(jù)。只需進(jìn)入DataLog標(biāo)簽,設(shè)置SampleInterval為15秒并點(diǎn)擊LogData。建議采用15秒的間隔時(shí)間,因?yàn)樵摃r(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(shù)據(jù)點(diǎn)。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將被記錄在指定的文件中,直到點(diǎn)擊StopLoggingData按鈕。


4.在室溫下激活電池首先必須對(duì)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(cè)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(shù)據(jù),但如果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄有助于用戶監(jiān)視其他電池失調(diào)參數(shù),以用于最終數(shù)據(jù)分析。


5.從最高溫度開(kāi)始校準(zhǔn)通常建議從最高溫度開(kāi)始測(cè)試電池的特性,因?yàn)榇藭r(shí)Li+電池容量最大,適合作為其他數(shù)據(jù)的參考點(diǎn)。設(shè)定電池工作在最高溫度下,將電池充分放電至待機(jī)空電量點(diǎn)。隨后,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求的充電曲線對(duì)電池充分充電,這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是該溫度下的滿電量點(diǎn)。之后,將電池以有效電流充分放電至用戶定義的有效空電壓,以確定有效空電量點(diǎn)。最后,將負(fù)載變?yōu)榇龣C(jī)電流并繼續(xù)放電,直至電壓降到待機(jī)空電壓,以確定待機(jī)空電量點(diǎn)。


如果想加速該過(guò)程,用戶可以將電流從有效電流逐步降低至待機(jī)電流。如圖1所示,設(shè)定有效電流為200mA,待機(jī)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(duì)電池放電,使其再次達(dá)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(wěn)定在空電壓,該點(diǎn)即為待機(jī)空電量點(diǎn)。這樣,不需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的5mA放電過(guò)程,即可使電池快速達(dá)到相同的空電量點(diǎn)。


6.在各個(gè)溫度下重復(fù)操作一旦到達(dá)某一溫度的待機(jī)空電量點(diǎn),立即轉(zhuǎn)入下一個(gè)溫度,并開(kāi)始對(duì)電池充電直至電池滿充。充電完成后即到達(dá)該溫度的滿電量點(diǎn)。然后將電池放電到有效空電量點(diǎn)和待機(jī)空電量點(diǎn)。在所有需要的溫度上重復(fù)上述操作,完成對(duì)電池特性的測(cè)量。


從特性參數(shù)中篩選關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)


評(píng)估軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以帶制表分隔符的格式記錄在文本文件中,方便導(dǎo)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(shù)據(jù)。


7.找出所有需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)用戶可以對(duì)記錄文件里的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi),標(biāo)記出所有滿電量點(diǎn)、有效空電量點(diǎn)以及待機(jī)空電量點(diǎn)。完成上述過(guò)程的簡(jiǎn)單辦法是,瀏覽所有數(shù)據(jù),查找Current列并觀察電流讀數(shù)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(dāng)電池從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)時(shí),記為滿電量點(diǎn);當(dāng)電池停止以有效電流放電時(shí),記為有效空電量點(diǎn);當(dāng)電池從放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)時(shí),記為待機(jī)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(biāo)記點(diǎn)。


表1給出了獲取Li+電池特性時(shí),使用DS2761采集數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)篩選后,標(biāo)記出的各個(gè)重要數(shù)據(jù)點(diǎn)的范例。本例中,電池以900mA的恒定電流充電,直至電壓達(dá)到4.2V。然后繼續(xù)充電保持電池電壓穩(wěn)定在4.2V,直到電流逐漸降至70mA,該點(diǎn)即為滿電量點(diǎn)。電池以350mA電流放電,直至電壓降到3.0V,這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)待機(jī)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(shù)。


如果在步驟4的電池激活過(guò)程中記錄了數(shù)據(jù),可以對(duì)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(diào)。因?yàn)槭窃诤銣貤l件下完成這一激活過(guò)程,所以如果不存在任何失調(diào),則所有空電量點(diǎn)將完全相同。如果存在失調(diào),則應(yīng)該根據(jù)ACR列所引入的失調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的修正,從而準(zhǔn)確測(cè)量Li+電池特性。


表1.Li+電池特性參數(shù)


Time


Voltage


Current


Temperature


ACR


Mark


Label


1:13:26AM


3.25


918.317


40


62.38


x


Start


2:12:41AM


4.158


480.817


40


927.97


x


Break


2:41:34AM


4.197


68.688


39.75


1032.7


x


Full


5:26:54AM


3.035


-345.297


40.125


81.19


x


ActiveEmpty


7:36:03AM


2.757


-2.475


39.875


71.04


x


StandbyEmpty


8:35:50AM


4.163


440.594


30.125


930.2


x


Break


9:06:28AM


4.197


69.307


30


1032.2


x


Full


11:50:18AM


3.006


-344.678


30.375


94.06


x


ActiveEmpty


1:44:11pM


2.757


-3.094


30.125


80.69


x


StandbyEmpty


2:45:07pM


4.168


376.856


20.125


929.95


x


Break


3:18:54pM


4.197


69.926


21.125


1031


x


Full


6:00:16pM


2.987


-345.297


20.625


110.15


x


ActiveEmpty


7:46:43pM


2.757


-3.094


20.5


90.1


x


StandbyEmpty


8:51:04pM


4.177


306.312


10.375


928.71


x


Break


9:29:26pM


4.197


70.545


10.5


1028.5


x


Full


12:06:02AM


2.962


-346.535


10.875


130.94


x


ActiveEmpty


2:01:00AM


2.757


-3.094


10.75


100.5


x


StandbyEmpty


3:16:05AM


4.182


230.817


0.625


919.06


x


Break


4:00:59AM


4.197


69.926


0.5


1019.3


x


Full


6:28:55AM


2.943


-350.248


1.25


161.63


x


ActiveEmpty


9:18:10AM


2.777


0


0.875


113.61


x


StandbyEmpty


8.確定電池容量的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)記錄文件ACR列的數(shù)據(jù),可以確定不同溫度下Li+電池滿電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)。滿電量點(diǎn)和空電量點(diǎn)只是一個(gè)相對(duì)值,需要選擇一個(gè)固定參考點(diǎn)。選擇最高溫度下的待機(jī)空電量點(diǎn)作為參考,因?yàn)樵擖c(diǎn)往往是獲取電池特性參數(shù)過(guò)程中ACR的最小值(表1中的高亮部分)。因此,所有讀數(shù)均大于該點(diǎn)的值,易于進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。


表2列出了表1中所有重要的ACR值。選擇40°C時(shí)的待機(jī)空電量點(diǎn)作為參考點(diǎn),將其他所有ACR值減去71.04mAhrs,以得出其他點(diǎn)的滿電量和空電量點(diǎn)。表3列出了以40°C待機(jī)空電量點(diǎn)為參考點(diǎn)的所有滿電量和空電量點(diǎn)的值,可以通過(guò)評(píng)估軟件很方便的將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到器件中。


表2.表1中的滿電量和空電量點(diǎn)


Temperature


0


10


20


30


40


Full


1019.3


1028.5


1031


1032.2


1032.7


StandbyEmpty


113.61


100.5


90.1


80.69


71.04


ActiveEmpty


161.63


130.94


110.2


94.06


81.19


表3.以40°C的待機(jī)空電量點(diǎn)為參考點(diǎn)的滿電量和空電量點(diǎn)


Temperature


0


10


20


30


40


Full


948


957


960


961


962


StandbyEmpty


43


29


19


10


0


ActiveEmpty


91


60


39


23


10


9.確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是用于估計(jì)充電剩余時(shí)間的重要數(shù)據(jù)點(diǎn)。借助轉(zhuǎn)折點(diǎn),采用2分折線來(lái)近似充電期間的ACR曲線,如圖2所示。轉(zhuǎn)折點(diǎn)由用戶選擇,應(yīng)保證由轉(zhuǎn)折點(diǎn)所確定的2分折線與實(shí)際的ACR曲線之間具有的誤差最小。


圖2.20°C下充電時(shí)ACR曲線和2分折線近似的關(guān)系


確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法是:繪出充電期間的ACR時(shí)間曲線,觀察曲線在何處發(fā)生轉(zhuǎn)折。建議選擇ACR曲線的中間溫度作為轉(zhuǎn)折點(diǎn),同時(shí)所有溫度均選擇該點(diǎn)作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)以低于滿電量電多少mAhrs表示。圖2中,轉(zhuǎn)折點(diǎn)約比滿電量點(diǎn)低100mAhrs。


10.確定各個(gè)點(diǎn)的充電估計(jì)剩余時(shí)間Fuelpack算法要求提供轉(zhuǎn)折點(diǎn)、所有溫度下從空電量點(diǎn)到滿電量點(diǎn)的時(shí)間以及所有溫度下從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到滿電量點(diǎn)的時(shí)間這一系列數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)剩余充電時(shí)間的精確估算。因此,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并篩選出所有轉(zhuǎn)折點(diǎn)。可以找出所有滿電量點(diǎn),減去步驟9中所選的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的mAhrs值,即可以很簡(jiǎn)單的找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)。


從表1中的數(shù)據(jù)中,取前一個(gè)溫度點(diǎn)的待機(jī)空電量點(diǎn)的時(shí)間(開(kāi)始充電的時(shí)間)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間以及滿電量點(diǎn)的時(shí)間,制成表格如表4所示。表4也給出了每個(gè)點(diǎn)的ACR值。然后,根據(jù)記錄的時(shí)間可計(jì)算每一溫度下從空電量點(diǎn)到滿電量點(diǎn)的時(shí)間,以及從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到滿電量點(diǎn)的時(shí)間,如表5所示。評(píng)估軟件的電量計(jì)算法只為3個(gè)溫度點(diǎn)的充電數(shù)據(jù)分配了足夠的EEpROM,因此選擇將0°C、20°C及40°C的數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件。


表4.各個(gè)溫度下待機(jī)空電量點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)及滿電量點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間


Temperature


0


20


40


TimeStamp


ACR


TimeStamp


ACR


TimeStamp


ACR


StandbyEmpty


2:01:00AM


100.5


1:44:11pM


80.69


1:13:26AM


62.38


Break


3:16:05AM


919.06


2:45:07pM


929.95


2:12:41AM


927.97


Full


4:00:59AM


1019.06


3:18:54pM


1031


2:41:34AM


1032.7


表5.估算各個(gè)點(diǎn)的充電剩余時(shí)間


Temperature


0


20


40


EmptytoFull(minutes)


120


95


88


BreaktoFull(minutes)


45


34


29


Breakpoint(mAhrs)


100


將數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件并啟動(dòng)電量計(jì)量


11.將相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入器件將表3和表5中的數(shù)據(jù)通過(guò)評(píng)估板寫(xiě)入器件。將數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入到packInfo標(biāo)簽中FuelGaugingData子標(biāo)簽的文本框,如圖3所示,并點(diǎn)擊Write按鈕(圖中未顯示)。數(shù)據(jù)將被寫(xiě)入器件的暫存器,并隨后被復(fù)制到EEpROM。


圖3.把電量計(jì)所需的數(shù)據(jù)導(dǎo)入評(píng)估軟件


12.同步ACR準(zhǔn)確測(cè)量Li+電池電量的最后一步是實(shí)現(xiàn)器件的ACR值與電池電量的同步。完成該程的簡(jiǎn)單方法是,根據(jù)實(shí)際的充電特性曲線對(duì)Li+電池充分充電,然后將該溫度的ACR設(shè)置為滿電量點(diǎn)。用評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)時(shí),先點(diǎn)擊FuelGauging標(biāo)簽上的StartFuelGauging按鈕啟動(dòng)電量計(jì)量,如圖4所示。充電完成后,點(diǎn)擊FuelGauging標(biāo)簽中的Full按鈕,即實(shí)現(xiàn)ACR與電池電量的同步。


圖4.評(píng)估軟件的Fuelguging標(biāo)簽


有關(guān)電量計(jì)數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用筆記131:Lithium-IonCellFuelGaugingwithDallasSemiconductor


總結(jié)


當(dāng)對(duì)Li+進(jìn)行電池充放電時(shí),DallasSemiconductor電量計(jì)算法可以準(zhǔn)確跟蹤電池電量。這需要了解電池電量特性的相關(guān)信息,以及實(shí)際應(yīng)用中電池在各種負(fù)載和溫度條件之下所表現(xiàn)的特性。只要使用DallasSemiconductor所提供的評(píng)估軟件測(cè)量并記錄電池的特性數(shù)據(jù),就可用電量計(jì)準(zhǔn)確地估算電池的剩余電量。


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