获取电量计应用中的锂电池特性

引言

　　要精确估算Li+电池的剩余电量，有必要了解电池特性如何随着温度和负载电流的变化而改变。本应用笔记介绍了一种获取Li+电池特性的方法，讨论了如何采集并处理数据，并将数据载入Dallas电池管理器件的评估软件，用于电量计应用中。器件通过累积电流寄存器(ACR)监视流入和流出Li+电池的电流，并将ACR的数据与已计算出的电池满电量和空电量进行比较，从而确定剩余容量。

获取Li+电池特性的步骤

1. 确定充电和放电曲线
　　获取Li+电池特性的最好办法是创造一个尽可能与实际应用相类似的环境。其中包括保护电路、放电曲线(包括实际应用中有效电流和待机电流的典型值)、充电曲线、及应用的周围环境温度。因此要求对电池充电和放电过程进行模拟，并且要相应调整工作温度。通常情况下，应该以10°C为步长，在0°C至40°C范围内获取各种电池特性参数。同时，评估软件所要求的温度点间隔也是10°C。

　　有效电流指用户使用过程中Li+电池的典型输出电流。待机电流指空闲状态时Li+电池的典型输出电流。

　　评估软件电量计部分中Active Empty和Standby Empty分别对应Li+电池以有效电流放电和待机电流放电到空电压(由用户定义)的点。空电量点如图1所示，相关说明见步骤5。用户可以定义不同的有效空电量点和待机空电量点。充电电路将Li+电池充分充电的点定义为满电量点。有关使用内置电量计的Dallas电池管理器件的详细说明，参见应用笔记131：Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor。

图1. 逐步放电过程中电压与电流的关系

2. 校准器件的失调寄存器
　　根据器件数据资料的说明，将Dallas电池管理器件与Li+电池正确连接后，应校准器件的失调。借助于所选器件的评估软件，可以很容易的对器件的失调进行校准。确认电路中没有接入负载，然后点击Meters标签中的Calibrate Offset按钮。如果不使用评估软件，可根据应用笔记224：Calibrating the Offset Register of the DS2761，逐步校准失调。

3. 开始记录数据
　　使用评估软件可以很容易的记录数据。只需进入Data Log标签，设置Sample Interval为15秒并点击Log Data。建议采用15秒的间隔时间，因为该时间间隔可以保证在不生成太大文件的前提下，能记录所有需要数据点。所有实时数据将被记录在指定的文件中，直到点击Stop Logging Data按钮。

4. 在室温下激活电池
　　首先必须对电池进行激活(break-in)。通常，在Li+电池寿命的初期其容量将有百分之几的波动。因此，建议在测试电池特性之前使其经过20次完全充放电周期。在这一过程中无需记录数据，但如果进行数据记录有助于用户监视其他电池失调参数，以用于最终数据分析。

5. 从最高温度开始校准
　　通常建议从最高温度开始测试电池的特性，因为此时Li+电池容量最大，适合作为其他数据的参考点。设定电池工作在最高温度下，将电池充分放电至待机空电量点。随后，根据实际应用要求的充电曲线对电池充分充电，这一点对应的是该温度下的满电量点。之后，将电池以有效电流充分放电至用户定义的有效空电压，以确定有效空电量点。最后，将负载变为待机电流并继续放电，直至电压降到待机空电压，以确定待机空电量点。

　　如果想加速该过程，用户可以将电流从有效电流逐步降低至待机电流。如图1所示，设定有效电流为200mA，待机电流为5mA，两种情况下的空电压均定义为3.3V。采用200mA的电流将电池放电至3.3V，使电压降到有效空电量点，然后，经过几秒钟后，再以100mA的电流对电池放电，使其再次达到空电压点。随后放电电流逐步降低，从50mA、20mA、10mA到5mA，直至最后电池电压稳定在空电压，该点即为待机空电量点。这样，不需要经过漫长的5mA放电过程，即可使电池快速达到相同的空电量点。

6. 在各个温度下重复操作
　　一旦到达某一温度的待机空电量点，立即转入下一个温度，并开始对电池充电直至电池满充。充电完成后即到达该温度的满电量点。然后将电池放电到有效空电量点和待机空电量点。在所有需要的温度上重复上述操作，完成对电池特性的测量。

从特性参数中筛选关键数据点

　　评估软件将实时数据以带制表分隔符的格式记录在文本文件中，方便导入电子表格。然后可以通过分类或绘制图表的方式，筛选出所需要的数据。

7. 找出所有需要的数据点
　　用户可以对记录文件里的数据进行分类，标记出所有满电量点、有效空电量点以及待机空电量点。完成上述过程的简单办法是，浏览所有数据，查找Current列并观察电流读数的变化情况，并且在电子表格中没有用到的列插入"x"。例如，当电池从充电状态变为放电状态时，记为满电量点；当电池停止以有效电流放电时，记为有效空电量点；当电池从放电状态变为充电状态时，记为待机空电量点。然后通过电子表格的自动筛选(AutoFilter)功能，可以很方便地查看各个重要的标记点。

　　表1给出了获取 Li+电池特性时，使用DS2761采集数据，经过筛选后，标记出的各个重要数据点的范例。本例中，电池以900mA的恒定电流充电，直至电压达到4.2V。然后继续充电保持电池电压稳定在4.2V，直到电流逐渐降至70mA，该点即为满电量点。电池以350mA电流放电，直至电压降到3.0V，这一点对应有效空电量点。电池以3mA电流放电至电压降到2.7V，这一点则对应待机空电量点。分别在40°C、30°C、20°C、10°C以及0°C下获取电池特性参数。

　　如果在步骤4的电池激活过程中记录了数据，可以对空电量点进行比较，以判断其是否有增加或减少，进而判断电流值是否存在失调。因为是在恒温条件下完成这一激活过程，所以如果不存在任何失调，则所有空电量点将完全相同。如果存在失调，则应该根据ACR列所引入的失调对数据进行响应的修正，从而准确测量Li+电池特性。

表1. Li+电池特性参数