如何改善便携式项目中的电池指示灯

作者： SAMANTHA MOREHEAD，圣克拉拉大学 和 MOHAMED ISMAIL，应用技术高级成员 Maxim Integrated

我们最初项目中的几乎所有东西都运行良好——我们能够获取 GPS 坐标、闪烁 NeoPixels 的不同颜色，并使用我们的 ISM 发射器广播坐标。我们项目中唯一没有按预期工作的部分是我们监控电池充电状态 （SOC） 的方法。为了估算 SOC，我们使用了基于项目运行时测得的电池电压的直线近似值。我们发现 NeoPixels 在总运行时间的 25% 中不是红色的，而是在总运行时间的 9% 中是红色的。令人沮丧的是，我们没有从当前系统中获得准确的 SOC，因此我们决定对确定电池 SOC 的不同方法进行一些调查，以确定哪种方法最准确。

分压器与电量计 IC确定电池电量的一种非常简单的方法是测量电池两端的电压。在 Adafruit FLORA 平台上，分压器（图 3）连接到板载微控制器的 ADC 输入。这允许用户获取 ADC 读数并计算其端子处的电池电压。根据电池的特性和系统的关断电压，使用端电压来估计电池的剩余电量。

图 3：用于确定 Adafruit FLORA 电池电量的分压器。

这种计算 SOC 的方法的一个主要缺点是它经常产生不一致的读数。电池的端电压取决于 SOC，但也取决于负载电流、温度和使用年限。这三个参数的任何变化都可能导致结果不准确。如果负载电流发生变化或电池温度发生偏差，则基于简单的电阻分压器估算电池 SOC 就会失去准确性。我们最初的设计有一个持续的脉冲负载，并且是为户外设计的，这导致了一个非常误导性的电池寿命指标。

分压器方法的一种替代方法是使用电量计 IC。燃油计量方法非常复杂，因此更昂贵；然而，他们承诺的准确性使他们非常有吸引力。FLORA 上电阻分压器的总电阻为 160 kΩ，这意味着它在连接到 Li+ 电池时消耗约 23 µA。我们犹豫要不要用消耗更多功率的东西来替换电阻分压器，但 Maxim 提供了一款声称仅使用 7 µA 电流的电量计 IC！MAX17055使用Maxim的电量计算法ModelGauge m5，它结合了两种最常用的电量计量方法——库仑计数和开路电压测量——以1%的误差报告电池的SOC。ModelGauge m5 技术的另一个创新特性是它包含一个 EZ 配置功能，无需进行电池表征。这使您可以轻松地将芯片集成到您的设计中，而无需执行大多数电量计 IC 所需的复杂电池表征任务。

图 4：Maxim 的 MAX17055 电量计 IC 利用 ModelGauge m5 技术来确定电池电量。

比较测试为了将 FLORA 上的原始分压器与 Maxim 的电量计 IC 进行比较，我们进行了一系列测试。在进行电阻分压器测量后，我们用 MAX17055 替换了这些元件。我们在所有测试中都使用了一节 150 mAh 电池，以保持每次测试的结果一致。首先，我们通过以恒定负载对电池进行放电来进行基线测试，同时观察分压器和电量计的结果。接下来，我们使用更真实的脉冲负载对电池进行放电，并观察分压器和电量计的精度。

使用电阻分压器进行基线测试FLORA 上的分压器输出只是帮助您确定电池的端电压；因此，必须进行一些计算才能将电压读数转换为易于理解的百分比电荷。首先，我们使用 125 mA 的恒定负载将电池完全放电。以恒定的时间间隔报告电池电压。图 5 显示了电池完全放电时五个放电循环的平均电池电压。然后使用两种不同的方法来确定电池在从分压器输出放电期间的 SOC。

图 5：电池在恒流负载下放电时随时间变化的平均电池电压。

第一种方法是将电池电压与剩余电量的某个百分比相关联。用于测试的 150 mAh 电池最多可充电至 4.2 V，因此该电压与 100% 充电相关。电池的最小放电电压为 3.0 V，因此该电压与 0% 充电相关。从这两个估计中，可以使用线性方程将 FLORA 上的分压器报告的电池电压转换为剩余电量的近似百分比。我们称其为“线性”近似方法。虽然很容易形成电池电压和SOC之间的关系，但它不是很准确，因为如图5所示，电池电压在放电过程中并没有线性下降。

下一种方法是基于通过测量电池放电时间消耗的电量。在负载电流恒定的情况下，经过的时间量与消耗的电荷量成正比（库仑/秒 * 秒 = 库仑）；因此，SOC（库仑）。在这种情况下，100% 充电与测试的开始时间相关，即首次将负载放在电池上时。零电量与设备关闭的时间相关。为了使用这种方法形成一个准确的模型，我们发现了五次放电测试的平均值。从那里，我们为平均 SOC 创建了四阶趋势线。计算每个电池电压样本的高阶多项式将变得不切实际。该趋势线方程用于将电池电压与 SOC 关联起来。图6中的实线 显示平均 SOC 曲线，而虚线代表趋势线。我们称之为“多项式”逼近方法，趋势线的方程如图 6 所示。

图 6：可用于将电池电压近似为剩余电量百分比的四阶多项式。

使用 MAX17055 进行基线测试最后，我们将这两个近似值与 Maxim 的电量计 IC MAX17055 的输出进行了比较。MAX17055 输出许多结果，包括电池电压、负载电流、寿命和温度。它还使用 ModelGauge m5 算法来估算电池的 SOC。以恒定负载对电池进行放电的结果会随着时间的推移产生 SOC 的线性下降，这是我们希望看到的结果。您可以通过图 7中的紫色图表查看电量计 IC 的读数，以及上述线性和多项式近似值。

图 7：基于分压器的线性模型、分压器的多项式模型和电量计的 SOC 以恒定电流放电时的电池充电。

当查看图 7中的结果时，很明显，每个近似值都假设电池在不同时间充满 50% 和 25%。图 8 显示了电池放电时 NeoPixels 的颜色。右侧的条形图将我们使用的每个模型的运行时间百分比与我们期望看到的期望结果进行了比较。线性模型的条形图显示，当电池电量接近 25% 时，NeoPixels 保持绿色，表示电量 》50%！

图 8：左图显示了使用每个模型放电期间的 NeoPixel 颜色。右侧的图表以易于与所需结果进行比较的形式说明了相同的数据。

在这种情况下，多项式模型和电量计都报告了相当准确的结果。然而，实际设计并未使用恒定负载电流。即使模型可以用于恒流负载，但在切换到更现实的脉冲负载时它也可能会损坏。

使用所有方法进行脉冲负载测试为了真正测试所有三种电量计方法的功能，我们必须在系统中放置一个真实的脉冲负载电流来运行另一个实验。负载在 125 mA 4 分钟和 60 mA 2 分钟之间交替。我们使用了与上述基线测试相同的三种方法——基于分压器的线性模型、基于分压器的多项式模型以及 MAX17055 报告的 SOC。脉冲负载测试的结果见图9。紫线是电量计报告的一段时间内的 SOC。蓝线是使用线性模型从分压器得到的近似 SOC，而绿线是使用多项式模型近似的。图 10 显示放电期间 NeoPixels 的颜色。

图 9：基于分压器的线性模型、分压器的多项式模型和电量计的 SOC 以恒定电流放电时的电池充电。

图 10：当电池在脉动负载下放电时，每个型号的 NeoPixels 的颜色。

使用分压器的结果来近似剩余电池容量的两种方法都在其输出中引入了错误脉冲。这些结果显然是不准确的，并且会产生令人困惑的结果，在绿色和黄色以及黄色和红色之间交替出现。这证明了负载变化对电池端电压的影响。Maxim 电量计中的复杂算法显示了对负载效应的抗扰度，并继续输出与电池实际 SOC 匹配的 SOC 线性下降。考虑到应用中的负载电流不断变化，而不仅仅是每隔几分钟一次，这些发现只强调了使用像 MAX17055 这样的电量计 IC 的重要性。

结论

当我使用我最喜欢的便携式电子设备时，我希望对电池剩余电量的准确性充满信心。虽然有一些简单、廉价的方法可以估计充电状态，但它们的结果远非准确。FLORA 上使用的分压器等方法报告的数据随负载变化很大。这可能会让我认为我还有足够的电池容量可以再走 10 分钟，只是在我找到她之前关闭了我的狗的追踪器。更先进的电量计 IC，如 MAX17055，提供了我可以信赖的精度。我的实验结果有助于证明电量计 IC 物有所值。

审核编辑：郭婷