電池電量計 IC（即電量計）是現(xiàn)代電池管理系統(tǒng)的核心。它們不僅可以準確估計電池剩余容量，還可以作為主機的電池數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)、一次電池保護裝置和電池平衡系統(tǒng)，以及維護電池使用歷史記錄。

一些電量監(jiān)測計系統(tǒng)包括一個模擬前端 IC，它提供高速保護和電壓測量功能，以及一個電量監(jiān)測計 IC，用于維持容量估計和其他更復雜的功能。越來越多的 IC 結合了模擬前端和電量監(jiān)測計功能。

一系列電量計 IC 可供多種應用使用。這些 IC 包括單節(jié)電池、多達 13 節(jié)串聯(lián)電池的多節(jié)電池、系統(tǒng)側電量計以及帶和不帶內(nèi)置初級保護的儀表。GaugeIC 可從許多大型半導體供應商處獲得，包括 Atmel、Intersil、Maxim Integrated Products、O 2 Micro 和德州儀器[Ref. 1-5]。

單電池量規(guī)通常具有較小的 PCB（印刷電路板）占位面積，適用于緊湊的電路布局情況。這些微型電池計量器適用于只有一個電池串聯(lián)的電池，或電池術語中的 1S（單串）電池。電池可以根據(jù)需要具有盡可能多的并聯(lián)電池，例如 1S1P（單串/單串）、1S2P（單串） /兩個并行），1S3P（一個串行/三個并行），等等。

這些儀表的示例包括 TI bq275xx、O 2 Micro OZ8805 和 MaximDS278x 系列。雖然一些單節(jié)電量計具有內(nèi)置保護邏輯，但大多數(shù)都需要使用單獨的保護 IC（例如 SeikoInstruments S-8211 或 S-8241 [6]。超便攜式設備中的低核心電壓以及高電壓和能量密度鋰離子電池組合產(chǎn)生有效的便攜式電源系統(tǒng)。

凌力爾特公司的 LTC2941 和 LTC2942 單電池電量計實現(xiàn)了一個庫侖計數(shù)器，該計數(shù)器通過一個快速模擬積分器來集成流入和流出電池陣列的電流[7]。這種技術可以允許精確跟蹤脈沖負載電流，這對樣本數(shù)據(jù)系統(tǒng)庫侖計來說是一個挑戰(zhàn)。

對于 2 至 4S（2 至 4 節(jié)串聯(lián)）多節(jié)電池的儀表 IC，存在多種選擇。它們包括 TI 20zxx 系列和 O 2 Micro OZ9310。3 或 4S（三個或四個串行）電池配置在便攜式設備中很受歡迎，因為您可以使用簡單的負載點降壓線性穩(wěn)壓器從 3 或 4S 鋰離子電池提供的最低電壓中獲得大多數(shù)復雜便攜式電子設備的核心電壓——大約 9V 3S 電池，4S 電池約 12V。

一旦電池中的串聯(lián)電池配置超過 4S，電量計 IC 的選擇就會受到限制。相對較新的 TI bq78PL114 和幾個 O 2 Micro 產(chǎn)品可以處理高容量電池。

一些儀表支持使用外部擴展 IC 的高 S 數(shù)電池。高 S 數(shù)電池用于電動汽車和其他高能電機驅(qū)動應用。在這些應用中，需要高電池電壓以避免電機控制電路中的電流過大，數(shù)百伏的電池很常見。其中許多應用程序使用完全定制的基于微型計算機的電池管理系統(tǒng)電路來處理高度復雜的管理和保護任務。圖 1顯示了典型的 4S4P（四串/四并聯(lián)）電池。

安全第一

電池安全必須是設計的首要考慮因素。始終為所有鋰離子電池設計多層過壓、欠壓、過流和過溫保護，無論多小。這種保護應包括與電池串聯(lián)的用于過流條件的 PTC（正溫度系數(shù)）裝置和用于過熱條件的 TCO（熱截止）裝置。您還應該使用有源二級和初級保護電路。電量計 IC 可以提供初級保護，但僅提供保護是不夠的。通常需要打開電子控制保險絲的二級主動保護，例如索尼化學自控保護器[8]。

仔細分析保護電路單元陣列側的所有電路元件。至關重要的是，沒有單個組件故障會導致一個或多個電池發(fā)生短路。例如，如果需要一個電容器來繞過 EM（電磁）噪聲，則應使用兩個串聯(lián)電容器，以盡量減少組件故障導致電池短路的可能性。

現(xiàn)代鋰離子電池可以長時間提供大電流，如果組件故障使電池短路，則會在 PCB 上引起“高能事件”。不要依賴電池的嵌入式過流保護來提供這種保護。有些電池缺少這樣的元件；在其他情況下，電流跳變點非常高，可能會在電池打開之前損壞 PCB。這種考慮對于高并聯(lián)電池數(shù)的電池尤其重要，其中每個電池的最大電流可以增加一個較大的最大電池電流。

將電池陣列組裝到電池保護電子設備時，請勿產(chǎn)生電弧。這種電弧會產(chǎn)生高壓瞬變，從而損壞電量計和保護電路元件。這種損壞可能使設備在工廠測試期間正常工作，然后在現(xiàn)場使用中失敗。保護電路可能并不總是失效保護的，因此當實際故障發(fā)生時可能導致保護電路失效。出于這個原因，您應該在電池中設計多層保護。

主機和電池

大多數(shù)電量計支持雙線 SMbus（系統(tǒng)管理總線），例如 I 2 C（內(nèi)部集成電路），或用于與主機設備通信的單線 HDQ（高速 DQ）接口，可以是便攜式設備或充電器。幾個Maxim 儀表IC 支持專有的Maxim 1-Wire 接口。您可以在制造過程中使用此接口對 GaugeIC 進行編程，并與便攜式主機設備和充電器通信許多參數(shù)。

大多數(shù)支持 SMbus 通信的儀表也支持 SBS（智能電池系統(tǒng)）[9] 。這些數(shù)字通信接口的低信號基準承載電池的返回電流。注意電量計基準到信號地和主機之間的電壓降在高電池電流時系統(tǒng)接地不會過大。

在高電池電流情況下，數(shù)字信號可能無法在電量計或主機系統(tǒng)上達到有效低電平。這種無法實現(xiàn)的原因可能是電池到主機系統(tǒng)的接觸電阻、導線電阻、分流電阻，甚至是 PCB 走線電阻。注意脈沖電流情況，例如電池連接期間的浪涌電流、主機設備的啟動電流或高充電器電流。這些情況可能會由于信號接地提升而導致通信中斷。

電池平衡

制造商建議在電量計或保護 IC 中對 3 和 4S 鋰離子電池進行電池平衡，并要求對 5S 和更大的電池進行電池平衡，并且許多電量計 IC 都內(nèi)置了此功能。電池平衡是必要的，因為單個電池的容量可能會有所不同當電池通過充電和放電循環(huán)時。如果電池經(jīng)常深度放電，這種情況尤其如此。

最簡單的電池平衡方法，即被動平衡，將電流分流到串聯(lián)電池組中每個完全充電的電池周圍，直到電池組中的所有電池具有相同的容量。跟蹤電池組中每個電池的相對容量的電量計在每個充電周期執(zhí)行此任務。凌力爾特 LTC6802-1 是一款實現(xiàn)該技術的電池監(jiān)測 IC。

TI 的 bq78PL114 和一些 O 2 Microproducts 實現(xiàn)了一種更復雜的電池平衡技術，即主動平衡。這種方法控制每個電池的小型開關電源。這些電路將電流泵入電池以使其與電池組中的其他電池保持平衡。這種方法的控制和電路設計相當復雜，但它優(yōu)化了充電器能量并最大限度地縮短了充電時間。

連接儀表

高 S 和 P 數(shù)電池的電池陣列或核心組可能很復雜。為確保電量計保持準確的可用容量測量，您必須小心地將儀表電壓和電流感應連接到核心包。此外，許多電量計在制造過程中需要先連接順序——通常是從最低電壓到最高電壓——以防止損壞 IC。

設計電池時，請確保在儀表 IC 和核心組之間的電壓檢測連接中流動的電流很小。此要求通常要求在電池的正極連接和儀表 IC 之間使用單獨的感應線或開爾文連接。此外，請務必遵循您使用的儀表 IC 的布局指南，尤其是在電流分流器和儀表 IC 之間。

容量估計

為了保持準確，庫侖計數(shù)需要已知容量起點和精確的電流測量值。當電池充滿電時，大多數(shù)電量計會將其容量估計重置為電池陣列的實際容量或化學容量。

但是，化學容量會隨著電池老化而變化，因此電池必須支持某種容量更新方法。您可以通過將電池從完全充電持續(xù)放電到低“訓練”電壓來更新電池的化學容量。這種稱為調(diào)節(jié)電池的方法不方便大多數(shù)電池用戶，因為它可能需要幾個小時并且通常是手動過程。您可以使用調(diào)節(jié)充電器，但控制和放電電路會增加充電器的成本。

幾年前，TI 開發(fā)了阻抗跟蹤算法，該算法使用電池阻抗變化模型來更新電池正常使用期間的化學容量。該公司已對該算法進行了多次改進，適用于許多電池使用模型。

ImpedanceTrack 算法的正確操作要求在電池充電或放電期間，出現(xiàn)兩個“松弛”點，即電池電流較低且電池電壓處于放電曲線的平坦部分——即既不在完全充電時也不接近完全放電時。您必須將這兩個松弛點間隔超過大約 40% 的電池容量。

例如，如果您為筆記本電腦的電池充滿電，請在電池上使用計算機一段時間，合上蓋子一段時間，再使用一段時間，然后再次合上蓋子。阻抗跟蹤算法將可能擁有更新化學容量所需的信息。

某些電池使用模式不允許阻抗跟蹤算法正常運行。其中一種模式是備用電池使用模式，其中電池幾乎總是保持 100% 充電，很少進行淺放電，并在放電后立即充電。TI 在其網(wǎng)站上提供了一些關于如何使算法適應這種使用模型的白皮書，但這是一個復雜的過程。

Maxim 開發(fā)了 ModelGauge 算法，該算法使用精心設計的電池類型電壓-溫度-容量特性模型，在正常電池使用期間更新電池的化學容量。Maxim 正在與一小組電池集成商合作開發(fā)這項技術的首次應用。

O 2 Micro 使用高分辨率電池電壓測量和電壓與容量的模型來估計電池容量。高容量鋰離子電池的平坦電壓-容量特性限制了這種技術，特別是在極其平坦的 LiFe（鋰鐵）PO4 電池中，其中 1 mV 的電壓變化可能等于 1% 的充電狀態(tài)變化。由于這個限制，電量計 IC 公司正在努力改進電壓測量能力。

運行時間估計

估計剩余的便攜式設備運行時間是電池使用中最復雜和最容易出錯的方面之一。儀表必須知道從電池中獲取多少電量以及電池陣列的真實化學容量才能報告剩余運行時間。

便攜式設備從電池中獲取的電量可能不一致或無法預測。對于需要維護準確估計剩余容量的便攜式設備，您應該設置備用容量。當您將服務容量值編程到電量計中時，它會將報告的容量抵消該數(shù)量。

因此，電量計報告的剩余電量總是低于電池陣列的實際可用電量。由于電量計的電量不足指示，該技術允許便攜式設備在斷電前安全地完成它們正在執(zhí)行的任何事務。這種方法類似于在飛機上有一個備用油箱，在主油箱空時提供足夠的容量著陸。

系統(tǒng)、電池儀表

系統(tǒng)端儀表位于便攜式主機中，并且必須在連接時適應每個電池。電池側量規(guī)駐留在電池中，并在電池移動時攜帶電池特性。系統(tǒng)端儀表在電池通常留在主機上的應用中更有用，例如筆記本電腦、PDA（個人數(shù)字助理）和手機。

如果您更換帶有系統(tǒng)端電量計的設備中的電池，該電量計將報告錯誤信息，直到您重新校準為止。電池側儀表在將電池從便攜式設備中取出以進行充電或在便攜式主機設備之間移動的應用中工作得更好。

系統(tǒng)端儀表必須支持在正常電池使用期間運行的容量估計更新算法。否則，除非您運行調(diào)節(jié)循環(huán)，否則儀表不會知道電池的化學容量。便攜式主機集成了系統(tǒng)側儀表，最大限度地降低了電池電子成本，并消除了通信接口對電池觸點的需求。

電池側電量計集成了模擬熱敏電阻輸入，以便從電池附近獲得準確的溫度讀數(shù)。系統(tǒng)側電量計的另一個問題是熱敏電阻和熱敏電阻輸入之間的距離更大。因此，熱敏電阻在系統(tǒng)側氣表上的讀數(shù)可能不準確。

由于電池側儀表隨電池陣列一起移動，因此它們可以隨著時間的推移改進其化學容量估計值。它們還可以保存在調(diào)節(jié)循環(huán)期間完成的容量測量。然而，電池必須有一個或兩個額外的觸點來支持電池到主機的通信接口。

充電器和電量計

電池充電器可以是簡單的交流供電設備，例如手機充電器，也可以是復雜的帶有顯示器和與電池通信的多槽設備，例如用戶可能用來為一組便攜式軍用收音機充電的設備。充電器通常有兩種形式：智能充電器在充電期間與電池中的電量計交互，而啞充電器僅使用電池端電壓和內(nèi)部測量的電流來控制充電周期。

隨著充電的進行，鋰離子電池充電器會在電池上保持特定的電流和電壓曲線。在充電周期的初始部分，當電池電壓低于浮動電壓（即低于電池類型和串聯(lián)排列的最大值）時，充電器提供 CCM（恒流模式）并允許電池電壓逐漸增加。

一旦充電器達到浮動電壓，充電器將保持 CVM（恒壓模式）并允許電流逐漸減小，直到達到預設的最小值，此時充電終止。與鉛或鎳鎘電池不同，您不能對鋰離子電池進行涓流充電——也就是說，一旦電池達到完全充電，您必須關閉充電電流。涓流充電會損壞鋰離子電池。

與電池電量計交互的充電器具有一些優(yōu)勢。電量計測量電池陣列上的真實電壓，并將該電壓報告給充電器。充電器只能在電池連接器處測量電壓，由于接觸電阻、導線電阻和分流電阻，該電壓通常高于電池陣列的電壓。如果充電器可以控制電量計測量的電池陣列電壓，則可以更長時間地保持 CCM，減少充電時間。此外，與電量計通信的充電器可以使用電量計的精確電流測量能力，從而允許在充電器中使用成本較低的電路。

圖 2 顯示了為單節(jié)鋰離子電池充電的典型電壓和電流曲線。在這種情況下，電池電壓是在充電器內(nèi)部測量的，電池電壓值來自電量計。注意保持 CCM 直到電池電壓達到 4.2V 浮動電壓的優(yōu)點。

電磁噪聲

由于電池管理系統(tǒng)包含高阻抗測量電路，因此它們?nèi)菀资艿?EM 噪聲拾取的影響。電池供電的便攜式系統(tǒng)，例如電動汽車中的無線電發(fā)射器和電機，它們自身會產(chǎn)生電磁噪聲，或者它們可以在電磁噪聲源附近運行。電池周圍的金屬罐和電池的互連帶構成了用于高頻噪聲的高效天線。

單元陣列中的噪聲拾取可能會在包含 ADC 和信號調(diào)理組件的電量計電壓和電流測量系統(tǒng)中引起讀取噪聲。Gas-gaugeIC 使用模擬和數(shù)字噪聲濾波器來減少這種 EM 噪聲引起的問題，但在嘈雜的環(huán)境中它仍然可能是一個問題。EM 噪聲尖峰可能導致初級和次級電池保護電路中的雜散保護跳閘。這些脫扣可能會造成麻煩，或者在二級保護脫扣的情況下，可能會禁用電池。

電池設計人員在設計電池管理系統(tǒng)電子產(chǎn)品時應遵循良好的 EM 降噪技術。仔細的 PCB 走線和 PCB 中接地平面區(qū)域的廣泛使用是必不可少的。小心地繞過電量計和相關 IC 的配電，因為它們直接從電池接收電力。電量計 IC 和電流測量分流器之間的正確連接至關重要；查閱供應商文獻以獲得建議。

參考：

“ 8 位和 32 位、低功耗高性能MCU，”Atmel。

“電池管理：電池平衡和安全”，Intersil。

“參數(shù)搜索：電池保護器、選擇器和監(jiān)視器”，MaximIntegrated Products。

“智能電池”，O 2 Micro。

“電池電量計”，德州儀器。

“參數(shù)搜索：鋰離子電池保護 IC，”Seiko Instruments Inc.

“電池管理”，凌力爾特。

“自我控制保護器”，索尼化學和信息設備公司。

“ SBS 1.1 規(guī)范：當前”，智能電池系統(tǒng)實施者論壇。