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电池电量检测

发表于 更新于 分类于 Valine：
本文字数： 4.2k 阅读时长 ≈ 4 分钟
基于正在做的电池电量检测的工作内容，对该部分内容做进一步扩展延伸和经验总结

近期在做关于电池电量检测的工作，而硬件电路并没有使用库仑计（在部分嵌入式场景下成本太高），而是使用分压电路ADC采样。基于此对相关学习到的内容做总结和分享

难点

  • 锂电池的放电非线性；
  • 充放电瞬间，电压值是突变的
  • 锂电池随着使用电量减少，需要实现自动校准
  • ……

充电IC基础原理

IC充电阶段

  • 涓流充电（Trickle Charge）

    涓流充电阶段通常只在电池电压低于一个极低水平时采用。

    在这种状态下，电池组的内部保护 IC 可能由于深度放电或发生过流事件已经断开了电池。充电器 IC 提供一个小电流（通常为 50mA）为电池组的电容充电，以触发保护 IC ，合上其 FET重新连接电池。虽然涓流充电通常只持续几秒钟，但充电器 IC 仍然需要集成一个定时器。如果电池组在一定时间内未重新连接，则定时器停止充电，因为这表明电池已损坏。

  • 预充电（PreCharge）

    一旦电池组重新连接或处于放电状态，就进入预充电阶段。

    预充电期间，充电IC开始以一个较低的电流水平为耗尽的电池安全充电，该电流通常为 C / 10（C 为容量，以 mAh 为单位）。预充电使电池电压缓慢上升。其目的是在低电流水平下对电池进行安全的充电，以防止损坏电池，直到其电压达到一个较高的水平。

  • 恒流充电（Constant Current Charge）

    恒流（CC）充电也被称作快速充电阶段，恒流充电在预充电之后开始。

    在恒流充电阶段，电池可以安全地处理 0.5C 至3C 之间的较高充电电流。恒流充电会持续到电池电压达到“满电”或浮动电压水平，然后进入恒压充电阶段。

  • 恒压充电（Constant voltage Charge）

    充电器 IC 会在恒流充电期间监测电池电压。一旦电池达到恒压充电阈值，充电器IC就会从恒流转换至恒压调节阶段。当充电器 IC 监测到外部电池组电压超过了电池组中的实际电池电压，就开始执行恒压充电。这是由于存在内部电池电阻、PCB 电阻和来自保护 FET 和单电池的等效串联电阻 (ESR)。充电器 IC 不应允许电池电压超过其最大浮动电压，以保证安全的运行。

  • 截止阶段

    对于浮充型充电芯片，当达到浮充阈值，输出恒定电压

    对于关断型充电芯片，当充电充满，芯片处于关断待机状态，无充电电流

说明

  1. 对于IC各个充电阶段需要参考IC的手册最终确定有哪些阶段，有些将涓流充电和预充电合成一个阶段处理，所以需要具体分析。
  2. 有些充电IC提供了可编程配置阈值的功能，即通过连接不同的阻值来对其进行设置，如果没有需要参考手册确定每个阶段的阈值分别是多少。配置的阈值能够提供一层额外的安全保护，保护电池免受过压、过热条件以及过载的影响，从而避免电池的永久损坏或容量降级。

流程整理

  1. 配置 ADC

    中断模式、设置重复采样时间、设置采样次数

    • Vadc = adcNumer(ADC采样数据) x Vref（ADC基准电压）/ （2^ADC量化位数）
    • Vbat = k（电阻分压系数比） × Vadc

  2. 配置 Timer

    配置ADC采样的时间即多久进行一次电池电量检测

  3. 启动电池电量检测主线程

  4. 等待USB插拔事件中断或者Timer时间触发电池检测

    • 打开ADC采样通道
    • 获取ADC数据
    • 关闭ADC采样通道
    • 计算最终输出的电池电量

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/************************************   ADC    *******************************/
static void adc_interrupt_cb(void)
{
    // calculate adc voltage
    // 校准：采集多次去掉一个最小值、去掉一个最大值，取平均值
}
static void adc_init(void)
{
    // config adc interrupt mode and callback
    // config adc sampling times
    // enable adc channels
}
/************************************   USB    *******************************/
static void usb_interrupt_callback(void)
{
    // get usb charging / discharging state
    // put battery detect time to default
    // enable adc sampling(enter adc_interrupt_cb)
}   
static void usb_init(void)
{
    // request drv_bus gpio
    // config  drv_bus interrupt and trigger mode
    // config  interrupt callback
}
/***********************************    TIMER     ***************************/
static void timer_interrupt_cb(void)
{
    // enable adc sampling(enter adc_interrupt_cb)
}
static void timer_init(void)
{
    // config timer
    // config default battery detect time to timer
    // config timer interrupt callback
}
/***********************************   BATTERY    ***************************/
static int get_battery_voltage(void)
{
    // enable channels
    // get battery voltage
    // disable channels
}
static int adjust_battery_voltage(int vbat)
{
    // record pre_percent pre_voltage
    // record voltage and timestamp, calculate new battery detect time
    // other optimize ways
}
static int calculate_battery_percent(int vbat)
{
    // 需要厂家提供电池充放电电池容量百分比对应的电压
    // 查表===>计算出百分比
    // 策略：
    //   最终的百分比相较于上一次是否有跳变，+-1；
    //   充电百分比减少，放电百分比增加。不被允许，需要对这两种情况处理掉
}
//电池电量检测函数可以进一步优化
void battery_detect_thread(void)
{
    adc_init();
    usb_init();
    timer_init();
    while(1) {
        // calculate battery percent
        int vbat = get_battery_voltage();
        vbat = adjust_battery_voltage(vbat);
        int percent = calculate_battery_percent(vbat);
    }
    adc_deinit();
    usb_deinit();
    timer_deinit();
}

误差来源

  1. ADC量化误差
  2. 分压电阻值不准确，导致分压比不确定带来的误差
  3. OCV表格内记录的是阶段性的电压与容量比，每一格实际上不是线性变化的，但在实际处理过程中按照线性来处理

校准误差及优化策略

  1. ADC采样

    平均值滤波。取十次adc数据，去掉最大值、最小值取平均值

  2. 插入usb / 拔出usb瞬间触发电池检测

  3. 记录最近十次采样的结果及sysTime，计算掉电或上电1%容量所消耗的时间，从而可以计算出下一次检测的时间间隔

  4. 在最终电池电量的显示上，需要逐步递增逼近采集的值不能突变

  5. 校准：根据一个确定状态下，确定的电压值和我们采集到的电压值，计算出偏差，校准

缩写表

  • OCV：Open Circuitt Voltage 开路电压

  • CV：Cyclic Voltammetry 循环伏安法（改变电位以得到氧化还原电流方向之方法）

  • UVLO：Under Voltage Lock Out 欠压锁定（输入电压低于某一值时，电源芯片不工作，处于保护状态）

  • OVP：Over Voltage Protection 过压保护

  • UVP：Under voltage Protection 欠压保护

  • ASOC：Absolute State-Of-Charge 绝对电荷状态 （绝对荷电状态则是一个当电池制造完成时，根据所设计的固定容量值所计算出来的的参考值）

  • RSOC： Relative State-Of-Charge 相对电荷状态（相对荷电状态的范围是 0% - 100%）

一个全新完全充电电池的绝对荷电状态是100%；而老化的电池即便完全充电，在不同充放电情况中也无法到100%。

IC原理图及其它参考资料

  1. DIO58056
  2. SY8602
  3. TI电量计设计指导
  4. ADC电量检测与校准