一种提升电池电量检测精度的方法

宋志超

摘   要：随着便携设备的普及，越来越多的设备自带电池。由于市场竞争激烈，降低成本才能赢得市场。比如，前几年流行的手环，一年出货量在10亿个，成本越做越低。对于此类产品的电量检测非常重要，但并不需要非常高的精度，小于3%便能满足要求。而且电量检测的成本越低越好。文章介绍了一种比较简单的电量检测方法，精度能达到1%，非常适合成本敏感的方案需求。

关键词：电量检测;锂电池;精度

1    锂电池的构造

所谓锂离子电池是指分别用2个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的、具有独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。以下以LiCoO2為例进行分析。

（1）电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3 V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4。

（2）负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素和金属氧化物等，包括SnO，SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz[x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=（2+3x+5y）/2]等。

从锂离子电池的内部构造上，可以知道，它的充放电是非线性的，图1是某款电池的充放电曲线示意。从充放电曲线可知，充电与放电的曲线是不重合的，而且充电量在85%的时候，是恒压的。

2    目前常用的电量检测方法

2.1  电压测量法

电压测量法，是通过检测电池电压，通过电压与电量的对应关系，直接估计电池电量的方法。该方法只需要一个普通的数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）采集电压便能实现，成本最低，最容易实现。但通过图1可以知道，电池电压的充放电曲线是不一样的，无法统一。另外，在实际使用过程中，ADC采集的电压是波动的，所以，此方法的测量精度在20%左右，适用于电池电量指示不高的场合。充电曲线在80%电量时，电压保持不变，电压测量法无法使用。

2.2  电流测量法

电流测量法，是通过在电池输出端串入一颗测量电阻，通过测量电阻的压降从而计算出电流，再通过电流的积分，计算出目前电池的容量。相对电压测量法，此方法精度稍高，但需要相对准确的初始值，一般此法会结合电压测量法一起使用。此方法需要两路ADC和精密电阻，成本稍高。

2.3  库仑计测量法

库伦计跟电流测量法有点类似，但一般厂家集成在一个芯片上。库仑计是在电池的正极和负极串如一个电流检查电阻，当有电流流经电阻时就会产生Vsense，通过检测Vsense就可以计算出流过电池的电流。其测量精度可达1%，可降低电池老化等物理因素对测量结果的影响。但缺点是成本比较高，并且如果长期不使用，电池内部自放电导致的电量损失，会使库仑计变得不准确。

3    锂电池充电的4个阶段

锂电池充电一般分为4个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止。

3.1  涓流充电

涓流充电是指，当锂电池过放电的时候（电压低于3 V），电池会处于保护状态，使用预设电流的十分之一进行预充电，一直到电压高于3 V，恢复电池单元的正常状态。

3.2  恒流充电

当电压恢复到一定阈值的时候，电池进入正常状态。此时，可以提高电流到设定值，进行恒流充电，此时电压会一直上升。单节电池在此阶段的电压范围为3～4.2 V。

3.3  恒压充电

当恒流充电到4.2 V时，电池充电会进入恒压状态。此时，电流会持续下降，直到为原设定值的十分之一时（一般充电IC做法），会终止充电。

3.4  充电终止

当电池电压达到4.2 V，并且恒压充电到电流为设定值的十分之一，或者到达设定的充电时间，充电便会终止。

4    提升电压检测法精度的方法

考虑到电压检测法成本低廉的优点，设计一种精度能提升到1%的电压电量检测法，该方法会有很大的竞争力。但该方法存在的问题也不容忽视，文章分析了电压检测法所面临的问题。

4.1  电压法测量的波动

电池在系统工作过程中，由于系统负载的变化，ADC采集的电压必然会产生波动，如图2所示。如负载变动剧烈，波动有可能更大。一般的滤波法也很难保证检测稳定。

4.2  充放电转换电压跳动

因为充放电曲线的不一致，电池电压在充电和放电转换过程中（比如在插入或者拔出充电器的时候），电压会有跳跃，如：从3.16 V跳到3.24 V。如果用电压测量法的话，会造成比较大的偏差。

4.3  电池恒压充电

当电池处于恒压充电阶段时，电池电压不变，这时电压检测法就不能使用了，必须要通过一些辅助方法来判断何时应该充电结束。

5    解决问题的方法

5.1  解决电压波动的方法

传统去波动的方法，就是通过数字滤波。但是不管阶数设到多少，都很难完全滤平直，都会有波动。根据电池充电和放电的特点，此处提出一种类似二极管的方法，充电的时候电压肯定是提升的，所以当充电场景时，只采集比当前电压高的值，去掉比当前电压低的值。当大于当前电压的次数多于设定值时，电压增加1%。此设定值根据电池的特性来评估，不同电芯，设定值不一样。相反，当放电场景时，只采集比当前电压低的值，去掉比当前电压高的值。当小于当前电压的次数多于设定值时，电压减少1%。通过此方法，可以解决电压波动的问题。

5.2  解决充放电转换电压跳动

当设备插入充电器的时候，检测的电池电压会被充电器抬升，此时检测的电池电压是充电器的电压而不是电池的实际电压。

我们引入迟滞法来消除充电器插入拔出过程中造成的跳动。每次以一定的时间来采样电压，然后跟前一次电压比较，如果比前一次电压值要大，那么计数器增加1，如果小，则计数器减1，当计数器达到设定的值时（比如10），电池输出的电压值做改变。举个例子：当前电池电压值为3.8 V，此时插入充电器，ADC在电池端采集到的电压为4.0 V（因为被充电器所拉升），我们当然不能直接以4.0 V作为此时的电池电压。ADC每隔8 s采样一次，如果比3.8 V要高，那么计数器a加1，如果连续10次都比3.8 V大，那么当前电压刷新为3.9 V。此时便完成一次电量更新。此方法的优点是可以通过调整采样的间隔或者计数器的次数来决定电量检测的精度。

5.3  电池恒压充电

此阶段为图 2 显示的恒压充电阶段，当电池恒压充电的时候，电流会慢慢减少，充电的电压值为4.2 V，ADC不管如何采集，电压都不变，此时不能简单认为电量已充满，必须要根据不同的电池曲线，选择不同的恒压充电时间。此时只需要把采集的计数器阈值按照恒压充电时间设置便可。

6    测试结果

经测试此方法能提升电池电量检测精度到1%，而且体验良好，电量显示不会出现波动，完全能满足简单的便携设备使用需求。

7    结语

本文设计了一种低成本的提升电池电量检测精度的方法，只需要一个ADC便可实现1%精度的电池电量检测。非常适合用于成本敏感，而且又需要精度高的电池电量检测。实验方法简单，算法调整灵活，对于单节和多节电池均适用。

[参考文献]

[1]张永凯，赵建平，陶明超，等.基于库仑计法的锂电池电量检测[J].化工自动化及仪表，2016（2）：191-194.

[2]曹志鹏，王健.便携式仪表锂电池充电管理和电量检测的实现[J].电子器件，2010（1）：97-100.