一、鋰離子電池簡(jiǎn)介

1.1 SOC（充電狀態(tài)）

SOC 定義為電池中可用能量的狀態(tài)，通常以百分比表示。因?yàn)榭捎媚芰孔兓Q于不同的充電/放電電流、溫度和老化效應(yīng)，所以 SOC 可以更明確地定義為 ASOC（絕對(duì)充電狀態(tài)）和 RSOC（相對(duì)充電狀態(tài)）。通常，RSOC 的范圍是從 0% 到 100%，完全充電的電池的 RSOC 始終為 100%，完全放電的電池的 RSOC 為 0%。ASOC 是由設(shè)計(jì)容量計(jì)算的參考值，設(shè)計(jì)容量是電池制造時(shí)的固定容量。充滿電的新電池將具有 100% 的 ASOC，但由于充電/放電條件不同，充滿電的老化電池可能低于 100%。

下圖是不同 C 速率下電壓與容量的示例。較高的 C-rate 負(fù)載將具有較低的輸出容量。較低的溫度導(dǎo)致較低的輸出容量。

圖 1. 不同 C 速率和溫度下的電壓與容量

1.2 最大充電電壓

最大充電電壓由電池的化學(xué)成分和特性決定。通常，鋰離子電池的充電電壓為 4.2V 和 4.35V。如果陽(yáng)極/陰極材料發(fā)生變化，情況可能會(huì)有所不同

1.3 充滿電

當(dāng)電池電壓與充電電壓之差在100mV以內(nèi)且充電電流小于C/10時(shí)，則認(rèn)為電池已充滿。條件可能會(huì)根據(jù)不同的電池特性而變化

下圖為典型鋰電池的充電曲線。當(dāng)電池電壓等于 Max Charge Voltage 且充電電流小于 C/10 時(shí)，則認(rèn)為電池已充滿電。

圖 2 典型鋰電池的充電曲線

1.4 迷你放電電壓

迷你放電電壓也可以定義為終端電壓。通常，Mini Discharge Voltage 表示 SOC 等于 0% 的電壓。電壓不固定，將根據(jù)不同負(fù)載、溫度、老化影響或用戶要求進(jìn)行充電。

1.5 完全放電

當(dāng)電池電壓等于或小于最小放電電壓時(shí)，電池被認(rèn)為是完全放電的。

1.6 C 率

C-Rate 是充電/放電電流的表達(dá)式，用電池容量標(biāo)準(zhǔn)化。例如，1C放電時(shí)，理想的電池在1小時(shí)內(nèi)完全放電。可用容量隨不同的 C 速率而變化。通常，C-rate 越大，可用容量越小。

1.7 循環(huán)計(jì)數(shù)

循環(huán)計(jì)數(shù)是電池在老化過程中經(jīng)歷了多少次充電/放電循環(huán)的參考數(shù)字。由放電容量和設(shè)計(jì)容量估算。當(dāng)累積放電容量等于設(shè)計(jì)容量時(shí)，循環(huán)計(jì)數(shù)增加。通常，500 次循環(huán)后，充滿電的容量會(huì)降低 10%~20%。

圖 3. 循環(huán)時(shí)的完全充電容量

1.8 自放電

所有電池化學(xué)物質(zhì)的自放電在較高溫度下都會(huì)增加。自放電基本上不是制造缺陷，而是電池特性。然而，不良的生產(chǎn)實(shí)踐和不當(dāng)?shù)奶幚砜赡軙?huì)增加這種影響。自放電率通常每升高 10°C 就會(huì)翻倍。鋰離子電池每月有 1~2% 的自放電，鎳基電池每月有 10~15%。

圖 4. 不同溫度下的容量保持率

二、電量計(jì)介紹

2.1 電量計(jì)功能介紹

電池管理是功率測(cè)量的一部分。電量計(jì)在電池管理領(lǐng)域負(fù)責(zé)估計(jì)電池的容量。電量計(jì)的基本功能是監(jiān)測(cè)電壓、充放電電流和電池溫度，估計(jì)電池的SOC和電池的滿充電容量（FCC）。有兩種經(jīng)典的方法可以進(jìn)行 SOC 估計(jì)，分別是開路電壓 （OCV） 和庫(kù)侖計(jì)數(shù)器。另一種方法是RICHTEK設(shè)計(jì)的基于動(dòng)態(tài)電壓的算法。

2.2 開路電壓

電量計(jì)的開路電壓算法很容易實(shí)現(xiàn)，通過將開路電壓映射到SOC查找表，并使用幾個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合OCV曲線。開路電壓的一般定義是電池松弛大約 30 分鐘以上。

電池電壓曲線會(huì)根據(jù)負(fù)載、溫度、年齡等不同而變化，因此靜態(tài)的OCV表并不能代表SOC。SOC 估計(jì)不能依賴于查找表。因此，如果僅通過 OCV 估計(jì) SOC 誤差很大。

下圖顯示，電池在充放電狀態(tài)下SOC誤差很大，因?yàn)镮R壓降是由電池阻抗和充放電電流引起的。這意味著通過靜態(tài)電壓測(cè)量的SOC估計(jì)應(yīng)該使用單獨(dú)的充電和放電查找表來(lái)完成。

圖 5. 充放電條件下的電池電壓

下圖顯示，在不同負(fù)載下的放電條件下，SOC變化仍然很大。因此 OCV 僅適用于 SOC 精度要求較低的系統(tǒng)，例如車輛的鉛酸電池或不間斷電源。

圖 6 放電時(shí)不同負(fù)載下的電池電壓

2.3 庫(kù)侖計(jì)數(shù)器

庫(kù)侖計(jì)的工作原理是在電池的充電/放電路徑中連接一個(gè)檢測(cè)電阻。ADC 測(cè)量檢測(cè)電阻上的電壓，然后在電池充電或放電時(shí)傳輸電流值。實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 （RTC） 為整合電流到庫(kù)侖信息提供了時(shí)序基礎(chǔ)。

圖 7. 庫(kù)侖計(jì)基本操作圖

庫(kù)侖計(jì)數(shù)器在充電或放電期間提供準(zhǔn)確的短期 SOC 報(bào)告精度。可通過充電庫(kù)侖計(jì)（CCR）和放電庫(kù)侖計(jì)（DCR）上報(bào)剩余容量（RM）和滿充電容量（FCC）信息，通過RM和FCC（SOC-RM/FCC）上報(bào)SOC。此外，它還可以提供剩余時(shí)間估計(jì)，如清空時(shí)間 （TTE） 和充滿時(shí)間 （TTF）。

圖 8. 庫(kù)侖計(jì)計(jì)算公式

導(dǎo)致庫(kù)侖計(jì)精度漂移的關(guān)鍵因素有兩個(gè)。首先是電流檢測(cè)和 ADC 測(cè)量中失調(diào)誤差的累積。盡管當(dāng)前技術(shù)的測(cè)量誤差很小，但如果沒有好的方法來(lái)消除誤差，那么在此類系統(tǒng)中誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。下圖顯示，在實(shí)際應(yīng)用中，如果不隨時(shí)間觀察校正條件，累積誤差是無(wú)限的。

圖 9. 庫(kù)侖計(jì)數(shù)器累積誤差

為了消除累積誤差，可以在正常電池操作中使用三個(gè)事件。它們是充電結(jié)束 （EOC）、放電結(jié)束 （EOD） 和放松。如果達(dá)到 EOC 條件，則表示電池已充滿電，SOC 應(yīng)為 100%。EOC 事件通常由電荷定義，其條件也會(huì)影響庫(kù)侖計(jì)的性能。EOD 條件意味著電池在放電時(shí)是空的，那么 SOC 應(yīng)該是 0%。它可以是絕對(duì)電壓電平，也可以是通過負(fù)載補(bǔ)償?shù)淖兞俊．?dāng)電池沒有充電或放電并長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)時(shí)，就達(dá)到了松弛狀態(tài)。如果用戶想使用松弛條件進(jìn)行庫(kù)侖計(jì)誤差校正，OCV 表是必需的。

圖 10. 消除庫(kù)侖計(jì)累積誤差的條件

引起庫(kù)侖計(jì)誤差的第二個(gè)因素是FCC誤差，它是算法賬戶與電池真實(shí)FCC之間的偏差。FCC 會(huì)受到溫度、老化、負(fù)載等因素的影響。因此，F(xiàn)CC 的重新學(xué)習(xí)和補(bǔ)償方法也是庫(kù)侖計(jì)算法的關(guān)鍵。下圖顯示了 FCC 被高估和低估時(shí)的 SOC 誤差趨勢(shì)。

圖 11. 高估和低估時(shí)的 FCC 誤差

2.4 基于動(dòng)態(tài)電壓的電量計(jì)

基于動(dòng)態(tài)電壓的電量計(jì)僅根據(jù)電池電壓計(jì)算和確定 Li+ 電池 SOC。該算法根據(jù)電池電壓和電池OCV之間的差異，通過迭代模型估計(jì)SOC的增加或減少。動(dòng)態(tài)伏打信息可以有效地模擬Li+電池的行為并確定SOC（%），但不能估計(jì)電池容量（mAh）。

該計(jì)算基于電池電壓信息和電池電壓與松弛OCV之間的動(dòng)態(tài)差異，通過使用迭代算法計(jì)算增加或減少的SOC來(lái)估計(jì)SOC。與基于庫(kù)侖計(jì)的電量計(jì)解決方案相比，基于電壓的電量計(jì)不會(huì)隨時(shí)間和電流累積誤差。基于庫(kù)侖計(jì)的電量計(jì)由于電流檢測(cè)誤差和電池自放電而存在 SOC 漂移。即使存在非常小的電流感應(yīng)誤差，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器也會(huì)不斷累積誤差。只有完全充電或完全放電才能消除累積誤差。

基于電壓的電量計(jì)僅通過電壓信息估計(jì)電池SOC，不會(huì)累積誤差，因?yàn)樗灰蕾囯姵仉娏餍畔ⅰ榱颂岣?SOC 精度，動(dòng)態(tài)電壓算法中的優(yōu)化增益可以根據(jù)具體手機(jī)在滿充和滿放電時(shí)的實(shí)際電壓曲線進(jìn)行調(diào)整。

圖 12. 基于動(dòng)態(tài)電壓的電量計(jì)和增益優(yōu)化

以下是基于動(dòng)態(tài)電壓的算法在不同C-Rate條件下的SOC性能，表明SOC精度良好。C/2、C/4、C/7和C/10的整體SOC誤差小于3%。

圖 13. 不同 C-Rate 條件下基于動(dòng)態(tài)電壓的 SOC 性能

下圖是部分充放電條件下的SOC性能，可以看出SOC誤差還是很小的，最大誤差只有3%左右。

圖 14. 部分充電和放電條件下基于動(dòng)態(tài)電壓的 SOC 性能

它不會(huì)隨著時(shí)間和電流累積誤差。與庫(kù)侖計(jì)相比，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，庫(kù)侖計(jì)會(huì)因電流檢測(cè)錯(cuò)誤和電池自放電而導(dǎo)致 SOC 漂移。由于沒有充放電電流信息，基于動(dòng)態(tài)電壓的算法短期精度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢。此外，它也無(wú)法估計(jì)滿充電量。它具有準(zhǔn)確的長(zhǎng)期準(zhǔn)確性，因?yàn)殡姵仉妷鹤罱K會(huì)指示 SOC。

三、 RT9428電量計(jì)及測(cè)試

3.1 RT9428介紹

RT9428是一款緊湊型主機(jī)側(cè)電量計(jì) IC，適用于鋰離子 （Li+） 電池供電系統(tǒng)。對(duì)于嵌入式 Fuel Gauge 功能，充電狀態(tài) （SOC） 計(jì)算基于電池電壓以及電池電壓與松弛 OCV 之間的動(dòng)態(tài)差異來(lái)估計(jì)增加或減少的 SOC。

RT9428和RT9420功能相同，但封裝類型不同。RT9428采用WL-CSP-8B 1.6x1.52 （BSC） 封裝，RT9420采用 WDFN-8L 2x3 封裝。

RT9420RT9428

圖 15. RT9420和RT9428的封裝和管腳定義

RT9428用于系統(tǒng)側(cè)，直接由電池供電。參考下面的典型應(yīng)用電路，RC 濾波器為 IC 電源和 VBAT 引腳上的電壓測(cè)量節(jié)省了噪聲。為減少 IR 壓降效應(yīng)，請(qǐng)使 VBAT 的連接盡可能靠近電池組。當(dāng)檢測(cè)到電量不足時(shí)，ALERT 引腳會(huì)向系統(tǒng)處理器提供電池電量不足中斷信號(hào)。QS 引腳在典型配置中未使用，它需要連接到 GND。

圖 16. RT9428典型應(yīng)用電路

RT9428采用基于電壓的算法，可以支持平滑的 SOC，并且不隨時(shí)間和電流累積誤差。與庫(kù)侖計(jì)相比，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，庫(kù)侖計(jì)會(huì)因電流檢測(cè)誤差和電池自放電而導(dǎo)致 SOC 漂移。下面是基于電壓的算法和庫(kù)侖計(jì)的比較。

3.2 RT9428溫度補(bǔ)償

根據(jù)第 1.1 章，電池特性在不同溫度下會(huì)有所不同。在軟件驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行電量計(jì)溫度補(bǔ)償之前，我們應(yīng)該預(yù)先確定不同溫度下的電池參數(shù)，通常為5/25/45°C。然后，軟件驅(qū)動(dòng)程序定期檢查系統(tǒng)溫度，根據(jù)溫度將參數(shù)（VGCOMP）寫入RT9428 。請(qǐng)參考下面的偽代碼和框圖。

圖 17. RT9428軟件驅(qū)動(dòng)偽代碼

3.3 測(cè)試條件

定義

理想SOC：實(shí)際SOC是根據(jù)測(cè)試完成后的充放電容量和滿容量。理想的SOC只能在測(cè)試結(jié)束后重新計(jì)算，因?yàn)檎嬲姆烹娙萘渴窃诜烹娊Y(jié)束后計(jì)算的。

SOC：電量計(jì)的 SOC 報(bào)告

FCC：測(cè)試完成后電流和時(shí)間的積分計(jì)算滿充電量

SOC Error：報(bào)告 SOC 與理想 SOC 之間的差異

使用RT9420 /9428 EVB 在以下測(cè)試條件下測(cè)試電量計(jì)性能：

- 恒流放電/充電測(cè)試

- 恒功率放電測(cè)試

- 真實(shí)手機(jī)測(cè)試

測(cè)試框圖

圖 18. 通過 I 2 C 接口從電量計(jì)訪問 SOC 和 VBAT

3.4 恒流放電測(cè)試示例

測(cè)試以確認(rèn)電量計(jì)可以在不同的負(fù)載和溫度條件下提供準(zhǔn)確的 SOC 報(bào)告。

條件：C/4 & C/7 放電，直到電壓 《 3.3V at 5/25/45°C

圖 19. 恒流放電測(cè)試結(jié)果

3.5 恒功率放電測(cè)試示例

測(cè)試以確認(rèn)電量計(jì)可以在不同的負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的 SOC 報(bào)告。

條件：恒定3W、4W和5W放電，直到電壓《3.2V

圖 20 恒功率放電測(cè)試結(jié)果

3.6 真機(jī)測(cè)試示例

測(cè)試確認(rèn)電量計(jì)可以提供準(zhǔn)確的SOC報(bào)告與真實(shí)的手機(jī)系統(tǒng)。

條件：

動(dòng)態(tài)正常放電，直到手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

正常充電，直到手機(jī)自動(dòng)停止充電。

圖 21. 手機(jī)測(cè)試結(jié)