鋰電池電量檢測電路設(shè)計(jì)方案思考

隨著大容量高耗能的移動電子產(chǎn)品的問世，便攜式移動電源也隨之發(fā)展而來，而能讓用戶清楚的知道設(shè)備剩余電量，就需要有相應(yīng)的電池電量檢測電路和電子元器件，便攜式移動電源本身是由大容量的鋰電池和內(nèi)部控制電路構(gòu)成，控制電路又分為兩種，一種為簡單的升壓控制芯片與單片機(jī)結(jié)合組成，另一種則為專用控制芯片形成的集充電、升壓、過流、過壓以及短路保護(hù)等為一體的綜合性電路系統(tǒng)，而這種方案也正以成本更低，控制更完備，系統(tǒng)更安全等優(yōu)勢越來越受到消費(fèi)者青睞。在各種便攜式移動電源專用控制芯片的控制系統(tǒng)中有重要的一個控制環(huán)節(jié)，那就是便攜式移動電源的內(nèi)部鋰電池的電量指示，這種指示剩余電量的功能需要有較為準(zhǔn)確的電量檢測方法。

1、目前通用的電量顯示方法

目前通用的顯示方式都是以四個LED燈的顯示方案為主流，故本文也采用四個LED的顯示方式來舉例說明。

通用做法是將移動電源的總電量劃分為四部分，25%，50%，75%，100%。分別用四個LED燈來顯示。最早出現(xiàn)的移動電源中的電量指示，基本都是以電池電壓的等分來簡單判斷電量多少的。例如將電池電壓分為3.3V，3.6V，3.9V，4.2V，并以此為劃分25%，50%，75%，100%，就是認(rèn)為在電池電壓為4.2V～3.9V時電池電量為電池總電量的100%，當(dāng)電池電壓在3.9V～3.6V時電池電量為電池總電量的75%，電池電壓在3.9V～3.6V時電池電量為電池總電量的50%，當(dāng)電池電壓在3.6V～3.3V時電池電量為電池總電量的25%。

實(shí)際上，以上這種劃分并不準(zhǔn)確，因?yàn)殡姵氐某浞烹姇r間與電池電壓不是簡單的線性關(guān)系。這樣會導(dǎo)致電量劃分不均勻，可能在指示50%～75%部分實(shí)際卻占據(jù)了電池60%的電量。根據(jù)專門對電池電量的測試，事實(shí)情況也確實(shí)如此。根據(jù)測試結(jié)果，電池電量最多也就是電池能供電時間最長的電壓段是在3.7V～3.9V，基本占一半以上的總電量。，以單節(jié)2500mah，輸出1A電流為例，電池電壓在3.7V～3.9V時放電時間大約80分鐘左右。

為了解決這個問題，工程師對電池電壓的劃分做了調(diào)整， 不在以電壓等分的形式作為電量多少的參考，而以電池充電或者放電的時間等分點(diǎn)所對應(yīng)的電壓為參考。例如電池放電時，電壓由4.2V降到3.98V用了四分之一的總?cè)萘繒r間，那就以3.98V作為一個參考電壓門檻，以此類推。這基本形成了目前通用的移動電源控制芯片的電量檢測方式。

上述方式存在兩個問題。一是由于電池內(nèi)阻的存在使得在實(shí)際采樣到的電池電壓并非電池真實(shí)電壓，并且系統(tǒng)板上電池端導(dǎo)線電阻以及保護(hù)IC開關(guān)管導(dǎo)通電阻都將作為電池內(nèi)阻的形式疊加上去，這是一個相當(dāng)大的量級，一般都有將近100毫歐。

2 帶有內(nèi)阻補(bǔ)償?shù)碾娏繖z測方案

更進(jìn)一步的解決方案為，在以電池電壓為參考的同時，同步采集電池電流，根據(jù)采集到的電流的大小來計(jì)算等效電池內(nèi)阻（包括導(dǎo)線電阻和保護(hù)IC的開關(guān)導(dǎo)通電阻），然后將這個內(nèi)阻產(chǎn)生的額外壓降疊加到電池容量參考電壓上，這樣就更好的改善了電池電量的檢測精度，使得檢測方式更進(jìn)了一步。

但這種改進(jìn)后本方案人也是有一定的問題的。對于不同電池容量和移動電源生產(chǎn)廠家而言很難保證這個等效電阻是能有效的補(bǔ)償，因此需要每一批次進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償值的大小，這對于控制芯片上意味著還需要一個專門的控制電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整引腳。

另外在上述的兩種方案中都還存在電池充電和放電參考門檻不一致的情況。這樣充電和升壓判斷參考電壓不同會導(dǎo)致在充電和升壓互轉(zhuǎn)的時候看到不同狀態(tài)剩余電量不一樣的問題。例如：在充電時顯示為75%的電量，結(jié)果轉(zhuǎn)換為升壓輸出時變?yōu)?0%的電量的現(xiàn)象。當(dāng)然這都是電池的充放電曲線不同造成的問題。

目前認(rèn)為較好的的電池電量方式是電量計(jì)芯片中所采用的方式。但電量計(jì)芯片的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在移動電源目前的生產(chǎn)成本上不容易將電量計(jì)的電路設(shè)計(jì)加入進(jìn)去，它需要mcu，大量的數(shù)字處理，以及復(fù)雜的算法等。而本文提出了一個既不需要太復(fù)雜的數(shù)字電路但卻能較好的提高電池電量檢測的方式，具有相當(dāng)?shù)目尚行浴?/p>

3 電荷計(jì)量檢測電量方案的分析與設(shè)計(jì)

本論文的改進(jìn)方法為電荷計(jì)量的方法，這與電量計(jì)芯片中的設(shè)計(jì)思想有些類似，但設(shè)計(jì)簡潔，在移動電源控制芯片中易于實(shí)現(xiàn)。