表征 Li+ 电池以便与电量计配合使用

准确的电池电量计依赖于了解电池在不同环境和工作条件下的行为的几个特性。要收集这些所需信息，必须在已知条件下对电池进行特性分析。本应用笔记概述了对电池进行特性分析的分步方法，包括如何收集和解释数据。它还解释了如何将数据集成到 Maxim 电池管理设备的评估软件中，以便与电量计软件算法一起使用。

介绍

为了准确估算 Li+ 电池的剩余容量，必须了解电池如何随温度和各种电流负载而变化。本应用笔记概述了一种方法，用于表征 Li+ 电池、收集和解释数据，然后将数据加载到 Maxim 电池管理设备的评估软件中，以便与电量计一起使用。该设备将使用累积电流寄存器 (ACR) 监控流入和流出 Li+ 电池的电流，电量计将 ACR 与计算出的电池满点和空点进行比较，以确定剩余容量。

表征 Li+ 电池的程序

1. 确定充电和放电曲线

表征 Li+ 电池的最佳方法是创建一个尽可能接近实际应用的环境。这包括保护电路、由应用的典型有源电流和待机电流组成的放电曲线、充电曲线以及应用可能遇到的环境温度。这需要一种方法来模拟电池的充电和放电以及改变温度的能力。通常，用于表征的温度范围为 0°C 至 40°C，步长为 10°C。评估软件要求温度点相差 10°C。

工作电流是终端用户使用应用时从 Li+ 电池吸取的典型电流。待机电流是应用处于空闲状态时从 Li+ 电池吸取的典型电流。

评估软件的电量计部分所指的活动空点和待机空点定义为 Li+ 电池在活动电流和待机电流负载下达到空电压(由用户定义)时的容量。空点如图1所示，可在步骤 5 中找到。用户可以为活动电流和待机电流负载定义单独的空电压。满点定义为充电电路认为 Li+ 电池已充满电时的容量。有关使用Maxim 电池管理器件和电量计的详细信息，请参阅应用笔记 131“使用 Maxim 电池监控 IC 进行锂离子电池电量计”。

图 1. 逐步放电过程中电压和电流随时间的变化。

2.校准设备的失调寄存器

按照特定器件数据手册中的说明，将 Maxim 电池管理器件正确连接到 Li+ 电池后，下一步就是校准器件的偏移。使用特定器件的评估软件，校准偏移很容易。确保电路上没有负载，然后单击“仪表”选项卡上的“校准偏移”按钮。如果不使用评估软件，应用笔记 224“校准 DS2761 的偏移寄存器”中提供了校准偏移的分步方法。

3. 开始记录数据

使用评估软件可以轻松记录数据。只需转到“数据记录”选项卡，将“采样间隔”设置为 15 秒，然后单击“记录数据”。建议使用 15 秒间隔，因为它可以记录足够的数据来捕获所有数据点，而不会创建太大的文件。所有实时数据都将记录到指定的文件名中，直到按下“停止记录数据”按钮。

4. 在室温下循环电池

一个重要的初始步骤是磨合电池。通常，Li+ 电池的容量在其使用寿命的最初几个周期内会变化几个百分点。建议在对电池进行特性分析之前，对电池进行 20 次完整的充电和放电循环。此时不需要记录数据，但这样做将允许用户监控设备中任何额外的偏移量，这些偏移量需要在分析最终数据时加以考虑。

5. 在最高温度下开始校准

建议在最高温度下开始特性分析，因为通常这是 Li+ 电池具有最大容量的状态，这为其余数据提供了良好的参考点。让电池稳定在最高温度下，然后将电池完全放电至待机空电点。接下来，根据应用的充电曲线对电池完全充电;这将是该温度下的满电点。然后在有功电流负载下将电池完全放电至用户定义的有功空电电压，以找到有功空电点。最后，将负载更改为待机电流值，并继续将电池放电至待机空电电压，以找到待机空电点。

为了加快这一过程，用户可以选择将电流从有功电流负载降低到待机电流负载。考虑图 1 所示的示例，其中有功电流定义为 200mA，待机电流定义为 5mA，两者的空电压均定义为 3.3V。可以接受的做法是，在 200mA 负载下将电池放电至 3.3V 以达到有功空电压点，然后，让电池静置几秒钟后，在电池上施加 100mA 负载，直到再次达到空电压。继续将电流负载降低至 50mA、20mA、10mA 和最后 5mA，直到达到空电压，该点将成为待机空电压点。这将使电池达到同一点，而无需在 5mA 负载下放电电池所需的延长时间。

6. 在每个温度下重复

一旦达到某个温度的待机空点，就转到下一个温度并开始完全充电。充电完成后，即为该温度下的满点。然后放电至活动和待机空点。继续此过程，逐步完成所有所需的温度点。

根据特性数据确定数据点

评估软件将实时数据以制表符分隔格式记录到文本文件中，以便轻松导入电子表格。然后可以对数据进行排序或绘制图表以找到所需的数据。

7. 找到所有必要的数据点

然后，用户可以对日志文件进行排序，并标记所有满点、活动空点和待机空点。执行此操作的一种简单方法是滚动浏览数据并查看“电流”列，注意电流读数的变化，并在电子表格的未使用列中放置“x”。例如，当电流从充电变为放电时，标记满点，或者当活动电流负载结束时，标记为活动空点，或者当电流从放电变为充电时，标记为待机空点。然后使用电子表格应用程序的自动过滤功能轻松查看已标记的兴趣点。

表 1显示了 DS2761 在表征 Li+ 电池时收集的数据示例，其中过滤出并标记了感兴趣的数据点。本例中使用的充电曲线是 900mA 的恒定电流充电，直到电压达到 4.2V。然后，以 4.2V 的恒定电压对电池进行充电，直到电流逐渐减小到 70mA 以下，这被定义为满点。在 350mA 负载下，活动空点定义为 3.0V。在 3mA 负载下，待机空点定义为 2.7V。电池在 40°C、30°C、20°C、10°C 和 0°C 下进行表征。

如果在步骤 4 中记录了电池循环过程中的数据，则可以比较空点以查看是否存在增加或减少的趋势，这将表明电流读数中存在一些偏移。由于循环是在恒定温度下进行的，因此如果偏移完全消除，空点应该全部对齐。如果检测到偏移，则需要将其作为偏移量添加到 ACR 列中，以获得 Li+ 电池的准确特性。

表 1. Li+ 电池的特性数据

8.确定容量数据点

用于确定不同温度下 Li+ 电池满电点和空电点的数据将是日志文件 ACR 列中的数据。满电点和空电点是相对数据点，需要参考一个固定数据点。选择最高温度下的待机空电点作为参考点，因为它通常是 ACR 在特性分析过程中达到的最低点(此点在表 1 中突出显示)。因此，所有读数都将大于此点，以便于数据存储。

表 2显示了表 1 中每个关注点的 ACR 读数。选择 40°C 时的待机空电点作为参考点，因此所有 ACR 读数都应减去 71.04mAhrs，以确定其他满电点和空电点。表 3 显示了 40°C 时待机空电点相对满电点和空电点的简单表格，可以轻松输入评估软件并存储在设备中。

表 2. 从表 1 中提取的满点和空点

表 3. 满电点和空电点(以 40°C 时的待机空电点为参考)

9. 确定断点

估算剩余充电时间时需要关注的一个数据点是断点。断点用于用两条线近似充电期间的 ACR 曲线，如图2所示。断点由用户选择为 ACR 曲线“断裂”的点，以便两条线近似的误差最小。

图 2. 20°C 充电期间 ACR 和 2-Line 近似值随时间的变化。

确定断点的最简单方法是绘制充电过程中 ACR 随时间变化的图表，然后目测曲线的断点。建议从中间温度选择 ACR 曲线，并在所有温度下使用该断点。断点将存储为小于满点的 mAhr 数。在图 2 中，断点比满点少约 100mAhrs。

10.确定充电时间估算数据点

FuelPack 算法需要断点、从空到满的分钟数以及从断点到满的分钟数，才能准确估计剩余的充电时间。有必要回顾数据并标记所有断点。只需找到满点并回顾在步骤 9 中选定为断点的 mAhr 数即可。

根据表 1 中的数据，获取前一个温度(即充电开始时间)、断点和满电点下每个待机空电点的时间戳，如表 4所示。表 4 还显示了每个数据点的 ACR。然后使用这些时间戳计算每个温度下空电和满电之间的分钟数以及断点到满电之间的分钟数，如表 5所示。评估软件的电量计算法仅为 3 个温度的充电数据分配足够的 EEPROM，因此应将 0°C、20°C 和 40°C 的数据写入设备。

表 4. 各温度下待机空电点、断电点和满电点的时间戳

表 5. 估算剩余充电时间所需的数据点

11. 使用适当的数据对设备进行编程

使用评估套件对设备进行编程，数据来自表 3 和表 5。手动将数据输入到“Pack Info”选项卡的“Fuel Gauging Data”子选项卡的文本框中，如图3所示，然后单击“Write”按钮(未显示)。数据将写入设备的暂存器，然后复制到 EEPROM。

图3. 将电量计量所需的数据加载到评估软件中。

12. 同步 ACR

准确报告 Li+ 电池容量的最后一步是将设备的 ACR 与电池容量同步。一个简单的方法是根据应用的充电曲线对 Li+ 电池充满电，然后将 ACR 设置为该温度下的满点。要使用评估软件执行此操作，请单击“电量计量”选项卡上的“启动电量计量”按钮启动电量计量，如图4所示。充电完成后，单击“电量计量”选项卡上的“满”按钮，ACR 将与电池容量同步。

图4.评估软件的电量计量选项卡。

。

概括

Maxim 电量计算法提供了一种精确的方法来跟踪 Li+ 电池在充电和放电过程中的容量。这需要了解电池的容量以及它在应用可能遇到的各种负载和温度下的表现。一旦使用 Maxim 提供的评估软件收集和存储特性数据，电量计就会准确估算电池的剩余容量。