【導讀】圍繞電池電量監測
，本文由ADI代理商駿龍科技的工程師Boris Wang為大家介紹ADI LTC2944 高至 60V 精準庫侖計方案
，助力打造高性能電池監測係統，涵蓋電池設備的普及性
、準確電量監測的重要性以及電量測量的原理
，以及對 LTC2944 的內部結構、工作原理以及具體的庫侖計方案進行深入解析。

電池設備的普及應用

從手機電腦
、電動自行車、電動工具，再到新能源汽車
、醫療儀器、gongyeshebei
，dianchiyijingchengweiyuelaiyueduodianzichanpindebiaopeibujian。youqishiqingbiandelilizidianchidedansheng
，rangsuoyoushebeituolidianyuanxianchengweilekeneng。zhexieshebeikeyixianshidangqiandeshengyudianlianghuoyunxingshijian
，zheshichanpinshiyongzhongzuizhongyaodeyonghutiyanzhiyi。

隨著時間的推移
，我們能夠明顯感受到，電池始終是會越來越不耐用的。有時候
，這會形成一種 “續航焦慮”，例如，雖然設備顯示剩餘 “10%” dedianliang，ranertakenengzaixiayimiaojiulikeguanjile。zaihenduogaogonglvduodianchideshebeizhong，ruguoyonghumeiyouzugoujishifaxiandianchidianlianghaojin
，jiukenenghuichuxianshifenweijihuoyanzhongdehouguo，lirulinchuangyiliaoyiqideturanduandianhuiweijibingrenshengming、工廠儀器的突然宕機會造成產線緊急關停。

如下圖 (圖1) suoshi
，weimouxinghaolilizidianchidexunhuanshoumingyufangdianshendudeguanxi
，keyimingxiankandao，chongfangdianyueshendu
，dianchikeshiyongdeshoumingyueduan。zairichangdechanpinshejizhong
，womenhennanquyueshukehudechongfangdianxiguan
，yincidianchishoumingwangwangshibuketiqianyucede，bixutongguoxingeryouxiaodedianqiceliangshouduanceliang。

圖1 鋰電池的循環壽命與放電深度關係

如何精準地測量電池剩餘電量
、yucedianchizhenshixuhangnengli
，shidianzigongchengjieyizhizhilijiejuedejishuwenti。youyudianchishiyizhongbuwendingdedianhuaxuexitong
，duitadezhunquediancanshucaijijiuzhiguanzhongyao，shixiandianliangjiancegongnengxianranxuyaojingmiqiezhuanyongdemonidianlufangan。

高集成化電量監測

除了充電
、保bao護hu和he電dian池chi平ping衡heng電dian路lu外wai
，電dian池chi電dian量liang測ce量liang也ye是shi智zhi能neng多duo電dian池chi係xi統tong中zhong常chang見jian的de功gong能neng之zhi一yi。無wu論lun是shi什shen麼me樣yang的de電dian池chi供gong電dian設she備bei
，涉she及ji電dian池chi的de電dian路lu係xi統tong都dou麵mian臨lin著zhe一yi係xi列lie獨du特te的de設she計ji挑tiao戰zhan，因yin為wei電dian池chi的de電dian氣qi性xing質zhi總zong是shi在zai變bian化hua。例li如ru，電dian池chi的de最zui大da容rong量liang (也稱為健康狀態或 SOH) 和he自zi放fang電dian速su率lv總zong是shi隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi而er降jiang低di
，而er充chong電dian和he放fang電dian速su率lv也ye會hui隨sui著zhe溫wen度du的de變bian化hua而er變bian化hua。精jing心xin設she計ji的de電dian池chi係xi統tong可ke以yi不bu斷duan地di動dong態tai處chu理li這zhe些xie參can數shu變bian化hua
，以yi便bian為wei使shi用yong者zhe提ti供gong一yi致zhi且qie準zhun確que的de電dian池chi性xing能neng變bian現xian參can數shu。對dui應ying到dao實shi際ji體ti驗yan中zhong

，我wo們men就jiu可ke以yi準zhun確que輸shu出chu一yi些xie指zhi標biao
，讓rang產chan品pin更geng具ju “高級感”，包括：

●  當前剩餘充電時間

●  當前係統續航時間

●  預期電池壽命 (或剩餘充電次數) 

從目前電子行業的主流技術來看，準確的電池電量測量功能

，需要一個精準的電池庫侖計 IC 和相關的電池專用模型，最終係統是需要形成一個關鍵參數——荷電狀態 (SOC)。SOC 是指電池使用一段時間或長期擱置不用後
，剩餘容量與其全新且完全充電狀態時的容量的比值，它的取值在 0 至 1 之間。我們可以簡單地理解為，SOC 是當前電池容量占最大容量的百分比。雖然市麵上有一些電量計 IC 集成了電池模型和算法，甚至直接輸出 SOC 的值，但仔細分析就會發現，這些 IC 往往會以犧牲準確性為代價，以簡化 SOC 的估計算法。

如下圖 (圖2) 所示為 ADI 的一款型號 LTC2944 的庫侖計，它可以支持到最高 60V dedianchidianya
，tatigongdeshizuijibendejingzhunkulunjifangan，zaiyouyonghugenjushijishiyongdedianchimoxingjinxingdianlianggujiyunsuan
，shixiandianliangjigongneng。zheshiyizhongyanjindejishutigongfangshi，jiangbuquedingyinsukaifanggeiyonghu，yigengziyoudishiyongqijian

，jianronggengduogaojingqueduyingyong
，xiawenjiangjinxingjinyibutantao。

圖2 LTC2944 60V庫侖計方案

電量測量的原理

目前的研究表明
，精確的庫侖計數、電壓
、電流和溫度是準確估計 SOC 的先決條件，迄今為止，行業內能夠做到的 SOC 估計誤差最小為 5%。如下圖 (圖3) 所suo示shi是shi各ge種zhong電dian池chi的de典dian型xing充chong放fang電dian曲qu線xian，在zai傳chuan統tong的de電dian壓ya型xing電dian量liang估gu計ji方fang法fa中zhong
，最zui困kun難nan之zhi處chu就jiu在zai平ping坦tan充chong放fang電dian區qu間jian的de電dian量liang估gu計ji

，因yin為wei這zhe時shi電dian池chi電dian量liang的de變bian化hua隻zhi會hui帶dai來lai很hen小xiao電dian壓ya變bian化hua
，於yu是shi會hui出chu現xian係xi統tong在zai很hen長chang一yi段duan時shi間jian內nei報bao告gao 75% 的 SOC
，然後卻突然下降到 15% 的 SOC。

庫倫計數的方式，能夠很精確地確定當前電池處於曲線哪個位置

，尤其是平坦區的位置。具體的方法是：

●  當電池充滿電時
，用戶將庫侖計數器初始化為已知的電池容量。

●  在釋放庫侖時遞減計數或在充電庫侖時遞增計數 (能適應隻充一部分電的情況)。

這種方案最大的優勢在於
，這種電量計算方式不需要知道電池的化學成分。由於 ADI LTC2944 集成了庫侖計數器，因此這款 IC 可以輕鬆地用於多種電池設備
，與電池的化學性質無關。

圖3 各種類型電池的典型充放電曲線

在電路係統得到庫倫計數數據之後，軟件算法上
，要根據電池模型進行數學換算，以確定 SOC 的值
，如下圖 (圖4) 所suo示shi的de是shi一yi種zhong經jing典dian的de電dian池chi模mo型xing，涉she及ji到dao串chuan聯lian並bing聯lian的de多duo個ge參can數shu，實shi際ji上shang
，這zhe裏li還hai沒mei有you考kao慮lv比bi較jiao重zhong要yao的de溫wen度du參can數shu影ying響xiang。模mo型xing分fen析xi與yu換huan算suan的de方fang法fa是shi專zhuan業ye領ling域yu知zhi識shi
，在zai此ci不bu進jin行xing贅zhui述shu，但dan可ke以yi確que定ding的de是shi，這zhe個ge模mo型xing最zui基ji本ben要yao獲huo知zhi的de就jiu是shi電dian壓ya、電流以及庫侖計數的參數數據。

圖4 經典的電池模型

精準的庫侖計方案

上文中提到了準確進行 SOC 分析的前提，是準確得到電壓
、電流、溫度、庫侖計數參數。LTC2944 正是這樣一款能夠單芯片獲取所有參數的平台方案。它的外圍電路也十分簡單，易於設計開發，將高精度的需求保障集成在芯片內部。

LTC2944 內部結構和工作原理

如下圖 (圖5) 所示為 LTC2944 的工作原理。從物理意義來說，電荷 (庫侖) 是電流在時間層麵的積分。LTC2944 通過監測采樣電阻兩端產生的電壓來測量電荷，這個電壓範圍是 ±50mV
，芯片對其的精度高達 99%。其中差分電壓被施加到自動調零的差分模擬積分器以換算電荷。

當積分器輸出斜坡至高參考電平和低參考電平 (REFHI 和 REFLO) shi
，kaiguanjianghuiqiehuanyifanzhuandianyabianhuafangxiang。kongzhidianlujiangguanchakaiguandezhuangtaihedianyabianhuafangxiangyiquedingjixing。jiexialai，kebianchengyufenpinqiyunxuyonghujiangjifenshijianzengjia 1 到 4096 倍。隨著預分頻器的每次下溢出或上溢出，累積電荷寄存器 (ACR) 最終遞增或遞減一個計數單位。

圖5 LTC2944 的工作原理

值得注意的是，LTC2944 庫侖計數器中使用的模擬積分器引入了最小的差分偏移電壓
，因此最大限度地減少了對總電荷誤差的影響。許多庫侖計 IC 對dui感gan測ce電dian阻zu器qi兩liang端duan的de電dian壓ya進jin行xing模mo數shu轉zhuan換huan，並bing累lei積ji轉zhuan換huan結jie果guo以yi推tui斷duan電dian荷he。在zai這zhe樣yang的de方fang案an中zhong，差cha分fen偏pian移yi電dian壓ya可ke能neng是shi誤wu差cha的de主zhu要yao來lai源yuan，尤you其qi是shi在zai小xiao信xin號hao讀du取qu期qi間jian。

例如，假設一個電量計方案中，是基於 ADC 原理的庫侖計數器，並具有 20uV 的最大指定差分電壓偏移水平
，則該電壓偏移對 1mV 的輸入信號進行數字積分後

，偏移導致的充電誤差為 2%。相比之下，使用 LTC2944 的模擬積分器，電荷誤差僅為 0.04%，小了 50 倍。

極高的精度表現

當庫侖計工作在平坦充放電曲線的區間時，電流和溫度是係統需要獲取的關鍵參數。這種設計的挑戰在於，電池的端子電壓 (帶載時) 會受到電池電流和溫度的顯著影響。因此，必須對電壓讀數進行校正補償

，補償因子是與電池電流
、開路電壓 (空載時)、溫wen度du成cheng比bi例li的de。在zai操cao作zuo過guo程cheng中zhong為wei了le測ce量liang開kai路lu電dian壓ya，就jiu需xu要yao斷duan開kai電dian池chi與yu負fu載zai的de連lian接jie，這zhe是shi不bu切qie實shi際ji的de
，因yin此ci實shi際ji操cao作zuo中zhong是shi根gen據ju電dian流liu和he溫wen度du曲qu線xian調tiao整zheng端duan子zi電dian壓ya讀du數shu。

由於獲得高 SOC 精度是係統最終設計目標，LTC2944 使用 14 位無延遲 ΔΣADC 用於測量電壓、電流和溫度，精度分別高達 1.3% 和 ±3℃。事實上
，LTC2944 的性能實際表現還要更好。如下圖 (圖6) 顯示了 LTC2944 中的某些精度值是如何隨溫度和電壓而變化的，主要體現了以下三個規律特點。

●  當測量電壓時，ADC 總的未調整誤差小於 ±0.5%，且在感測電壓範圍內較恒定

●  當測量電流時
，ADC 增益誤差通常在工作溫度下小於 ±0.5%

●  對於任何給定的感測電壓，溫度誤差僅隨溫度變化約 ±1 攝氏度

所有這些精度指標加在一起

，就會顯著影響 SOC 的精度
，這就是為什麼電壓
、電流和溫度的監測對電池電量計應用很重要。

圖6 LTC2944 各種精度表現圖

LTC2944 在測量電壓
、電流和溫度時，提供四種 ADC 操作模式。在自動模式下
，芯片以幾毫秒的周期連續執行 ADC 轉換，而掃描模式是每 10 秒miao轉zhuan換huan一yi次ci，然ran後hou進jin入ru睡shui眠mian狀zhuang態tai。在zai手shou動dong模mo式shi下xia，芯xin片pian對dui命ming令ling執zhi行xing一yi次ci轉zhuan換huan
，然ran後hou進jin入ru睡shui眠mian狀zhuang態tai。每mei當dang芯xin片pian處chu於yu睡shui眠mian模mo式shi時shi，靜jing態tai電dian流liu都dou會hui降jiang至zhi 80uA。LTC2944 的整個模擬部分也可以完全關閉，以將靜態電流進一步降低到 15uA。這讓 LTC2944 在係統中額外耗電的存在感進一步降低。

為何沒有電池模型？

用戶可以使用數字 I2C 接口從 LTC2944 讀取電池電量、電壓
、電流和溫度。用戶還可以通過 I2C 配置幾個 16 位寄存器，讀取狀態、控製開/關
，並為每個參數設置可報警的高閾值和低閾值。警報係統消除了連續軟件輪詢的需要，並釋放 I2C 總線和主機來執行其他任務。此外，ALCC 引腳既可用作 SMBus 警報輸出

，也配置為充滿電或放空電的提示信號。有了所有這些數字功能
，有人可能仍然會問，“為什麼 LTC2944 沒有內置電池模型或 SOC 估計算法?” 答案很簡單

，為了追求極致的準確性。

suiranjuyouneizhidianchipeizhiwenjianhesuanfadedianliangjixinpiankeyijianhuasheji

，dantamenwangwangshigenjushijidianchizuodebuchongfenhuobuxiangguandemoxing


，bingzaizhegeguochengzhongxishengle SOC 的準確性。例如
，用戶可能被迫使用由未知來源或未知溫度範圍內生成的充放電曲線；可能不支持精確的電池化學性質
，這會對 SOC 精度造成更大影響。

關鍵是，精確的電池建模通常考慮許多變量，並且足夠複雜，因此用戶可以在軟件中對自己的電池進行建模，以獲得最高水平的 SOC 精jing度du，而er不bu是shi依yi賴lai於yu不bu準zhun確que的de通tong用yong內nei置zhi模mo型xing。這zhe些xie內nei置zhi模mo型xing也ye使shi電dian量liang計ji功gong能neng變bian得de不bu靈ling活huo，難nan以yi重zhong複fu設she計ji到dao其qi他ta應ying用yong中zhong。實shi際ji調tiao試shi開kai發fa中zhong
，在zai軟ruan件jian中zhong進jin行xing SOC 算法的更改要比在硬件中容易得多。

此外，高電壓範圍也是 LTC2944 與當今市場上其他類似功能產品真正不同的地方。LTC2944 可以由低至 3.6V 的電池直接供電，也可以由高達 60V 的滿電電池組供電
，解決了從低功耗便攜式電子產品到高壓電動汽車的任何應用。LTC2944 的外圍電路也十分精簡，這可以進一步降低 LTC2944 電路的總功耗並提高精度。

總結

電池電量監測是一項複雜的電路設計工作
，因為有許多相互依賴的參數會影響 SOC。行業內普遍認可的是，準確的庫侖計數

，加上電壓
、電流和溫度讀數
，是估計 SOC 的最準確方法。LTC2944 kulunjitigongsuoyouzhexiecanshudecelianggongneng，bingqieguyiguibileneibudianchijianmogongneng
，yunxuyonghuzaitedingyingyongruanjianzhongshixianzijidexiangguanpeizhiwenjianhesuanfa。ciwai，celianghepeizhijicunqikeyitongguo I2C 接口輕鬆實現，支持最高 60V 的電池係統
，並且可用於任何化學成分的電池，最重要的是，它的準確度是行業內無與倫比的。

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