你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

選擇合適的電池電量計(jì),實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的電池建模

發(fā)布時(shí)間:2017-10-26 來源:Nazzareno (Reno) Rossetti,Bakul Damle 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】穿戴式設(shè)備正在推動(dòng)一個(gè)極具吸引力且成長快速的市場(chǎng),其中智能手表(Smart Watch)持續(xù)保持主導(dǎo)地位。在這種密集且競爭激烈的環(huán)境下,每一個(gè)制造商都力爭將產(chǎn)品率先投入市場(chǎng),而消費(fèi)者則需要其裝置具有最精確、最長的電池運(yùn)作時(shí)間(圖1)。本文討論與電池容量管理關(guān)鍵功能密切相關(guān)的要求,并提出一種能夠克服挑戰(zhàn)的顛覆性技術(shù)。
 
選擇合適的電池電量計(jì),實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的電池建模
圖1:智能手表發(fā)出充電完成的訊號(hào)。
 
上市時(shí)間的挑戰(zhàn)
 
最佳的電池性能依賴于驅(qū)動(dòng)電量計(jì)算法的高精準(zhǔn)度及高質(zhì)量電池模型?;ㄙM(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行客制的特性分析能夠獲得高精準(zhǔn)度的電池性能、最小化電池電量(SOC)的誤差,以及正確預(yù)測(cè)電池何時(shí)接近沒電的狀態(tài)。
 
儲(chǔ)存在電池中的能量(以mAhr為單位)依賴于多種參數(shù),如負(fù)載和溫度。因此,開發(fā)者必須在各種條件下對(duì)電池進(jìn)行特性分析。在選取了與電池行為一致的模型后,即可將其裝載到電量計(jì)芯片。這種嚴(yán)密的監(jiān)控過程能夠?qū)崿F(xiàn)更安全的電池充電和放電。
 
由于電量計(jì)特性化只能滿足大量生產(chǎn)的客戶,不能顧及所有其他客戶,不僅帶來了上市時(shí)間的問題,也成為制造商發(fā)展的阻礙。傳統(tǒng)上,IC供貨商專注于高產(chǎn)量的應(yīng)用,因?yàn)槟P瓦x取通常需要大量的實(shí)驗(yàn)室工作,而只有少數(shù)IC供貨商擁有所需的資源。
 
電池運(yùn)作時(shí)間的挑戰(zhàn)
 
較差電池模型所帶來的嚴(yán)重后果之一就是運(yùn)作時(shí)間估算不準(zhǔn)確。典型的智能手表使用模型在為期1天的循環(huán)過程中,包括5小時(shí)主動(dòng)狀態(tài)(包括對(duì)時(shí)、通知、app使用、音樂播放、通話,以及訓(xùn)練)和19小時(shí)被動(dòng)狀態(tài)(僅對(duì)時(shí))。為期1天的循環(huán)中,如果裝置在主動(dòng)模式下的功耗為40mA,在被動(dòng)模式下的功耗為4mA,那么將消耗總共276mAh,正好是典型智能手表電池的大約容量。為避免裝置操作的非預(yù)期或過早中斷,就必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池運(yùn)作時(shí)間。
 
運(yùn)作時(shí)間的持續(xù)時(shí)間也同樣重要。被動(dòng)模式下,同一電池可能維持長達(dá)69小時(shí)(276mAh/4mA)。功耗為50μA的典型電量計(jì)將縮短大約52分鐘的電池被動(dòng)運(yùn)作時(shí)間,是不可忽略的時(shí)間量。
 
EZ解決方案
 
Maxim Integrated開發(fā)了一種算法,能夠準(zhǔn)確估算電池的充電狀態(tài),且能夠安全地運(yùn)用在大多數(shù)電池上。該算法在研究了常見鋰電池特性后開發(fā)。
 
ModelGauge m5 EZ算法(簡稱EZ)采用針對(duì)具體應(yīng)用的電池模型,嵌入到電量計(jì)IC內(nèi)部。設(shè)計(jì)師利用評(píng)估套件所提供的簡單組態(tài)精靈,可產(chǎn)生電池模型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師只需提供三條訊息:
 
1.容量(通常會(huì)顯示在電池卷標(biāo)或數(shù)據(jù)表); 
 
2.沒電時(shí)所對(duì)應(yīng)的電池電壓為(依賴于應(yīng)用情形);
 
3. 電池充電電壓(是否高于4.275V)。
 
使用EZ,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不再需要執(zhí)行特性分析,因?yàn)檫@實(shí)際上已由電量計(jì)供貨商完成。
 
包含在EZ算法中的多種適應(yīng)機(jī)制能夠幫助電量計(jì)學(xué)習(xí)電池特性,進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。這樣的算法可保證電池電壓接近沒電時(shí),電量計(jì)輸出收斂到0%,因此,電量計(jì)能夠在電池電壓達(dá)到?jīng)]電的同時(shí)準(zhǔn)確指示SOC為0%。
 
如果我們假設(shè)SOC預(yù)測(cè)的系統(tǒng)誤差預(yù)算為3%,EZ模型能夠覆蓋95.5%的放電測(cè)試用例——非常接近人工定制模型的性能,后者覆蓋97.7%的測(cè)試用例。如圖2所示,當(dāng)電池接近沒電時(shí),EZ方法的表現(xiàn)也是一樣的,這點(diǎn)特別重要。
 
選擇合適的電池電量計(jì),實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的電池建模
圖2:EZ系統(tǒng)誤差性能。
 
對(duì)于許多使用者來說,僅知道SOC或剩余電量是不夠的,他們真正想知道的是剩余電量可提供多少運(yùn)作時(shí)間。最簡單的方法,例如將剩余電量除以當(dāng)前或預(yù)期負(fù)載,可能會(huì)造成估算結(jié)果過于樂觀。EZ算法能夠根據(jù)電池參數(shù)、溫度、負(fù)載效應(yīng),以及應(yīng)用的空電壓,提供精準(zhǔn)度高出很多的剩余運(yùn)作時(shí)間估算結(jié)果。
 
有了EZ算法,大產(chǎn)量的制造商可將EZ作為快速開發(fā)的起始點(diǎn);在具有運(yùn)作雛型之后,即可選擇精細(xì)調(diào)諧過的電池模型。而小產(chǎn)量的制造商可利用EZ為電池建立配對(duì)模型,并可以兼容絕大多數(shù)電池。
 
采用ModelGauge m5 EZ的單電池電量計(jì)
 
EZ算法被內(nèi)建到MAX17055獨(dú)立式單電池電量計(jì)IC中。裝置擁有0.7μA關(guān)機(jī)電流、7μA休眠模式電流和18μA運(yùn)作電流,可理想用于電池供電的穿戴式裝置,還可透過I2C接口存取數(shù)據(jù)和控制緩存器。
 
系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析
 
圖3所示為系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。從柱狀圖可以看出,接近電池沒電時(shí),MAX17055在大多數(shù)測(cè)試用例(26個(gè)中的15個(gè))下的誤差在1%以內(nèi)。
 
選擇合適的電池電量計(jì),實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的電池建模
圖3:系統(tǒng)誤差的競爭產(chǎn)品分析。
 
運(yùn)作時(shí)間精準(zhǔn)度競爭優(yōu)勢(shì)
 
接近沒電時(shí)的低誤差可確保電池電量最佳的使用,最大程度延長運(yùn)作時(shí)間,以及最小化操作裝置的非預(yù)期或過早中斷。
 
運(yùn)作時(shí)間延長競爭優(yōu)勢(shì)
 
使用具有低靜態(tài)電流的電量計(jì)IC,可有效延長運(yùn)作時(shí)間。MAX17055的靜態(tài)電流為18μA,比最相近競爭裝置的靜態(tài)電流低64%。此外,在低功耗休眠模式下,裝置僅消耗7μA電流。將其應(yīng)用到以上討論的情況,可將受影響的運(yùn)作時(shí)間從52分鐘降低到7分鐘——實(shí)質(zhì)性的性能改善。
 
總結(jié)
 
本文重點(diǎn)討論了有效率的電量計(jì)系統(tǒng)中電池建模的重要性,以最大化電池運(yùn)作時(shí)期的精準(zhǔn)度和持續(xù)時(shí)間,還探討了取得高精準(zhǔn)度電池模型的障礙,這一障礙將延長上市時(shí)間、影響低產(chǎn)量電池應(yīng)用的擴(kuò)散。MAX17055內(nèi)建一種以ModelGaugem5EZ算法為基礎(chǔ)的顛覆性方法,使電池系統(tǒng)開發(fā)更快速、更簡單、更具成本效益,并為廣泛的應(yīng)用提供更好得電池性能。
 
作者:Nazzareno (Reno) Rossetti,Maxim Integrated資深作者;Bakul Damle,移動(dòng)電源事業(yè)管理部總監(jiān)。
 
 
 
 
 
 
 
 
推薦閱讀:



5G對(duì)射頻前端產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了哪些影響
如何開發(fā)微型太陽能無線傳感器節(jié)點(diǎn)
機(jī)器人應(yīng)用類型詳解
亟待崛起的中國集成電路測(cè)試設(shè)備
Gartner預(yù)測(cè)十大未來企業(yè)IT與消費(fèi)者
 
 
 
要采購傳感器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉