铅酸蓄电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/锂聚合物电池特性及应用

铅酸蓄电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/锂聚合物电池特性及应用

目前广泛使用的充电电池有铅酸电池、镍镉/镍氢电池、锂离子/锂聚合物电池等，这些电池的特性如表1所示。

铅酸电池容量大，内阻小（一般400Ah 2V电池内阻约0.5mΩ），可大电流放电，但体积大，不便于携带，常用于汽车及工业领域，电极材料中含有铅，对环境污染较大。铅酸电池对充电控制要求不高，可浮充。

镍镉电池容量大、内阻小、放电电压平稳，适合作为直流电源。镍镉电池相对于其他类型电池，耐过充过放，操作简便，但有记忆效应，应尽量完全放电后再充电。电极材料中含有剧毒的重金属镉，随着环保要求的提高，其市场份额越来越小。

镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展起来的，用金属氢代替有毒的镉，在大多数情况下可以替代镍镉电池。其容量约为镍镉电池的1.5至2倍，且无记忆效应。与镍氢电池相比，其对充电控制的要求更高，目前广泛应用于一些便携式电子产品中。

锂离子电池是目前最常见的二次锂电池，其能量密度高，是高容量镍镉/镍氢电池的1.5~2倍，平均工作电压为3.6V，是镍镉电池和镍氢电池的3倍，内阻较大，不能大电流充放电，还需要精确的充放电控制，防止电池损坏，发挥最佳性能。锂离子电池广泛应用于各种便携式电子产品，包括手机、笔记本电脑、mp3等。

锂聚合物电池是一种新型二次锂电池，容量更大，内阻更低，允许10C充放电电流，与锂离子电池一样需要精确的充放电控制，目前锂聚合物电池主要应用于一些需要大电流充放电的场合，如动力/模型车等。可充电电池容量估算方法

在大多数便携式应用中，需要随时了解剩余电池容量以估算电池寿命。

图 1 简化电池电量计框图

最早采用的方法是通过监测电池的开路电压来获得剩余容量。这是因为电池端电压和剩余容量之间存在一定的关系，通过测量电池端电压可以估算出剩余容量。这种方法的局限性是：1）对于不同厂家生产的电池，开路电压与容量的关系是不同的。2）只有测量电池空载时的开路电压才能得到比较准确的结果，但大多数应用都要求在运行过程中知道电池的剩余容量。此时负载电流对内阻造成的电压降就会影响开路电压测量的准确性。电池内阻的离散性很大，而且这种离散性会随着电池的老化而变得更大，因此补偿电压降带来的误差将非常困难。综上所述，通过开路电压实时估算电池剩余容量的方法在实际应用中无法达到足够的精度，只能提供粗略的参考值。

另一种广泛使用的方法是通过测量流入或流出电池的净电​​荷来估算电池的剩余容量。此方法将流入或流出电池的总电流积分，得到的净电荷数即为剩余容量。电池容量可以预设或在随后的完整充电周期中学习。在补偿电池自放电和不同温度下的容量变化等因素后，此方法可以达到令人满意的精度，因此广泛应用于笔记本电脑等高端应用。

电池电量计的工作原理

电池电量计持续累计流入和流出电池的总电流，并将净电荷报告为剩余容量。

图1所示为一个简化的电池电量计。RSNS为mΩ电流检测电阻，RL为负载电阻。当电池通过开关从RSNS放电至RL时，电流IO在RSNS两端产生VS(t)=IO(t)×RSNS的压降。电量计不断检测RSNS两端的压差VS，并通过ADC将其转换为N位数字量（简称CR），然后以时基决定的速率进行累加，M位累加结果（简称ACR）的单位为Vh（伏时）。对量化后的VS进行累加相当于对其进行积分，结果为。

电池电量

因此，用ACR值除以电流检测电阻RSNS的阻值，即可得到电池容量，单位为Ah（安培小时）。ADC转换结果和累加结果均有符号位。按照图1中的连接方法，充电时，CR为正，ACR增大；放电时，CR为负，ACR减小。外部微控制器可以读取CR和ACR值，并进行转换，得到实际的充放电电流和功率值。

实际电量计还包括一些控制和接口逻辑，通常可以检测电池电压和温度等参数。一些智能电量计可以自动校正电池自放电，保存电池特性曲线，并允许用户自定义电池电量计算。

电池电量计计算

通常，电量计数据表以 mV 为单位给出 CR，以 mVh 为单位给出 ACR。

根据前面的描述，CR值就是采样电阻两端的电压值，典型的12位CR如表2所示。

其中S为符号位，20为LSB。若CR的全偏移值为F，则其LSB的计算公式为：

（1）

设CR的读数为M，采样电阻为RSNS，则实际电流值为：

（2）

电流方向由S位决定，若满量程值F为±64mV，则LSB为±15.625μV；当RSNS为10mΩ时，最大电流为±6.4A，若M为768，则实际电流为

。

ACR是采样电阻两端电压的累积值。典型的16位ACR如表3所示。

其中S为符号位，20为LSB。若ACR的满量程值为F，则LSB的计算公式如下：

（3）

净电荷由S位决定，若满偏置值F为±204.84mVh，则LSB为±6.25μVh；RSNS为10mΩ时，最大电荷为±20.48Ah，若M为7680，则实际电荷为

。

结论

本文在介绍电池电量计的原理后，提供了一些简单的计算公式，设计人员可以轻松根据电量计读数计算出实际电量，从而加快设计进程。