對(duì)于依靠鋰離子電池供電的電路，仍需要專用技術(shù)來(lái)確定電池中的剩余電量，而這種技術(shù)將使能量收集應(yīng)用的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 工程師們能夠利用這些應(yīng)用中的 MCU 和 ADC 實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)，但會(huì)以增加復(fù)雜性為代價(jià)。 不過(guò)，利用來(lái)自 Linear Technology、Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 等制造商的專用“電量計(jì)”IC，工程師們能很容易地在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中增加這一功能。

確定鋰離子電池的充電狀態(tài) （SOC） 是一項(xiàng)基本要求，但卻充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)椴粌H不同電池間的容量差異巨大，而且同一電池內(nèi)的容量也是如此。 鋰離子電池一旦發(fā)生老化就是去了電荷存儲(chǔ)能力。 因此，舊電池即使充滿電，其提供有用電壓的時(shí)間也會(huì)少于新電池。 無(wú)論使用何種鋰離子電池，SOC 都會(huì)因?yàn)闇囟群头烹娝俾识a(chǎn)生極大差異，所以任何一種特定的電池都會(huì)對(duì)應(yīng)一組獨(dú)特的曲線。（圖 1）。

圖 1：如 Panasonic VL 系列等鋰離子存儲(chǔ)設(shè)備的輸出電壓由多種因素決定，包括溫度、放電速率和電池老化程度（感謝 Panasonic 提供數(shù)據(jù)）

鋰離子技術(shù)輸出電壓特征曲線的性質(zhì)會(huì)使 SOC 的確定過(guò)程變得復(fù)雜。 采用其他技術(shù)時(shí)，開(kāi)路電壓 （OCV） 用來(lái)可靠指示充電狀態(tài)。 不過(guò)，采用如 Panasonic VI 系列等鋰離子電池時(shí)，這些電池的電壓輸出曲線相對(duì)平坦，使得這種方法更加難以實(shí)現(xiàn)（圖 1）。 相反，鋰離子電池的監(jiān)視方法通常依靠庫(kù)倫計(jì)數(shù)或者阻抗測(cè)量完成，前者會(huì)隨時(shí)間跟蹤放電電流，而后者則利用了 SOC 和電池內(nèi)部阻抗之間的關(guān)系。

這兩種方法均需要連續(xù)精確測(cè)量電池的輸出電流和電壓，然后對(duì)比將 SOC 和電壓相關(guān)聯(lián)的模型認(rèn)真分析這些值。 對(duì)于每一種能量收集應(yīng)用，工程師們通常會(huì)充分利用已有 MCU 和 ADC 器件實(shí)現(xiàn)能量收集應(yīng)用的核心功能。 如 Microchip Technology 的 MCP3421 等 ADC 器件可用來(lái)捕獲電流和電壓輸出的測(cè)量值，然后由 MCU 分析這些值（圖 2）。 此時(shí)，MCU 執(zhí)行 SOC 算法或者將這些測(cè)量值與 SOC 查詢表中的理想值進(jìn)行比較，或者組合使用算法分析和數(shù)據(jù)查詢功能。

圖 2：工程師們可利用如 Microchip MCP3421 等 ADC 實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能，從而向 MCU 發(fā)送電池電壓和電流測(cè)量值，用于估算 SOC（感謝 Microchip Technology 提供數(shù)據(jù)）。

電量計(jì) IC 是一種集成解決方案，從而可用單一器件替換 ADC 和各種分立元件，該器件能夠執(zhí)行復(fù)雜的 SOC 估算功能并將結(jié)果傳輸至 MCU（圖 3）。 大多數(shù)電量計(jì) IC 采用庫(kù)倫計(jì)數(shù)法，即通過(guò)測(cè)量電流檢測(cè)電阻器的電壓來(lái)跟蹤電流放電情況，用以估算鋰離子電池 SOC。

圖 3：在典型應(yīng)用中，專用電量計(jì) IC 通過(guò)測(cè)量檢測(cè)電阻器上的電壓來(lái)監(jiān)視電池電流，并將 SOC 計(jì)算結(jié)果和其他充電信息發(fā)送至 MCU（感謝 Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）。

如 Linear Technology LTC2941-1 等先進(jìn)的電量計(jì) IC 均是將專用庫(kù)倫計(jì)數(shù)器與片載檢測(cè)電阻器相結(jié)合，其中片載電阻器采用溫度補(bǔ)償型，以提高準(zhǔn)確性。 此處，庫(kù)倫計(jì)數(shù)器監(jiān)視內(nèi)部檢測(cè)電阻器上生成的電壓，并匯集測(cè)量數(shù)據(jù)，以估算充電狀態(tài)（圖 4）。 LTC2942-1 除繼承了 LTC2941-1 的功能外，還能測(cè)量溫度和電壓。

圖 4：如 Linear Technology LTC2941-1 等電量計(jì) IC 集成了用于進(jìn)行 SOC 估算的混合信號(hào)庫(kù)倫計(jì)數(shù)電路（感謝 Linear Technology 提供數(shù)據(jù)）

電量計(jì) IC 通常將 SOC 作為單一數(shù)值傳輸。 另外，Linear 的 LTC4150 電量計(jì) IC 則采用一系列輸出脈沖形式發(fā)送其結(jié)果，而這些脈沖對(duì)應(yīng)于流入或流出電池的定量電荷。

雖然庫(kù)倫計(jì)數(shù)法是電量計(jì) IC 中的常用方法，但許多此類器件將庫(kù)倫計(jì)數(shù)法與定期性電壓測(cè)量相結(jié)合，通常用于重新校準(zhǔn)結(jié)果，對(duì)溫度或電池老化效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。 Maxim Integrated DS2786B 能在電池充放電時(shí)統(tǒng)計(jì)流入和流出電池的電荷。 當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入非工作狀態(tài)時(shí)，DS2786B 會(huì)在確定電池電壓所需的足夠延時(shí)后測(cè)量電池 OCV。 根據(jù) OCV 測(cè)量結(jié)果，該器件會(huì)利用片載 OCV 電池模型調(diào)節(jié)已保存的庫(kù)侖計(jì)數(shù)值。 這種模型保存在 DS2786B 的 EEPROM 中，該模型使 SOC 與電壓曲線上的多個(gè)特定點(diǎn)相關(guān)聯(lián)（圖 5）。

圖 5：Maxim Integrated DS2786B 仍采用將開(kāi)路電壓與鋰離子電池 SOC 相關(guān)聯(lián)的片載模型（感謝 Maxim Integrated 提供數(shù)據(jù)）。

DS2786B 在上電時(shí)測(cè)量初始電壓，并利用 OCV 電池模型數(shù)據(jù)確定其進(jìn)行電荷測(cè)量的起始點(diǎn)。 下一次 OCV 測(cè)量會(huì)允許器件糾正任何誤差。 該器件會(huì)根據(jù)電池老化情況調(diào)節(jié)其結(jié)果，補(bǔ)償容量變化。

TMicroelectronics STC3115 采用其專有的 OptimGauge 自適應(yīng)算法跟蹤 SOC 并更新片載電池模型，進(jìn)而對(duì)溫度、老化以及與保存在其片載屬性中的不同類型電池的特征差異進(jìn)行補(bǔ)償。 片載 Σ-△ ADC 測(cè)量進(jìn)行 SOC 跟蹤和模型升級(jí)所需的電池電壓、電流和溫度數(shù)值。 在高速充電或者放電期間，該器件使用庫(kù)倫計(jì)數(shù)方法估算 SOC。

用于功率敏感型應(yīng)用時(shí)，該器件還有一個(gè)能夠禁用電流檢測(cè)的低功耗運(yùn)行模式。 工程師可對(duì) STC3115 編程，使其在正常和低功耗工作模式之間切換，從而使器件正常工作時(shí)精度最高，待機(jī)時(shí)功耗最低。

Texas Instruments bqJUNIOR? 系列具有多種低功耗工作模式，專為低功耗工作而設(shè)計(jì)，其正常工作模式下電流消耗小于 90 μA，睡眠模式下小于 2.5 μA，深度睡眠模式下則小于 20 nA。 如 bq27210 等 bqJUNIOR 器件可提供針對(duì)電池老化、溫度、自放電和放電速率的容量補(bǔ)償信息。 在每個(gè)放電周期內(nèi)，這些器件自動(dòng)重新校準(zhǔn)保存在片載寄存器內(nèi)的各種參數(shù)值，包括電流、容量、耗盡時(shí)間、SOC、電池溫度、電池電壓和狀態(tài)等。

Texas Instruments 也提供采用其專有的阻抗跟蹤方法的電量計(jì) IC，這種方法利用電池阻抗測(cè)量值來(lái)估算鋰離子電池的 SOC。 阻抗跟蹤不需要為電池性能建模，也不需要為更新片載模型參數(shù)而重新校準(zhǔn)序列。 如 TI bq27421-G1 和 bq27425-G2 等阻抗跟蹤 IC 能夠計(jì)算電池剩余容量，而無(wú)需建?；蛘咦赃m應(yīng)，并能在電池的整個(gè)使用壽命期限內(nèi)以及不同的工作條件下實(shí)現(xiàn)高精度。

結(jié)論

能否準(zhǔn)確估算鋰離子電池的 SOC 取決于對(duì)電池電壓和電流精確測(cè)量。 對(duì)于某些能量收集應(yīng)用，工程師們可利用現(xiàn)成的 MCU 和 ADC 完成所需的測(cè)量和分析。 單芯片電量計(jì) IC 集成了復(fù)雜的算法，為 SOC 確定提供了簡(jiǎn)單的解決方案。 工程師們利用現(xiàn)有的電量計(jì) IC，就能把提供準(zhǔn)確的鋰離子電池充電和容量信息所需的功能輕而易舉地添加到能量收集應(yīng)用中。