2016年3月21日 星期一

電池量測電量方法,電壓偵測法(電壓)及庫倫計量法(電流)


電壓偵測法


 首先先說明電壓偵測法,電壓偵測法所依循的理論是:
當電池內的電量逐漸耗用減少時,其供電的輸出電壓準位也會逐漸降低,雖然這樣的壓降幅度極小,但確實有此現象。

 電壓偵測法所要偵測的正是電池的供電電壓、輸出電壓,以此來研判電池內還有多少剩餘電量,先用精密的類比取樣電路偵測到電壓後,將類比電壓值轉換成數位數值,然後將數值進行查表比對,表格的對應資料在過去就已經先行完成,即是對「多少的輸出電壓準位時電池內約有多少剩餘電量」進行觀察與對應記錄,記錄即成為對應表,透過電壓的取樣偵測、類比數位轉換、對應查表,如此就可以得知剩餘電量。

 電壓偵測法對電量的認知完全來自供電電壓的輸出值,但這是不足夠的,最初的電壓-電量對應表的觀察與建立,是以全新的電池、恆溫控制的環境下所完成的記錄,但現實使用中電池會因充放電次數而逐漸老化(Aging),此外使用場合的溫度(Temprature)也不可能保持恆定,加上產品操作使用時的電能消耗也非恆定,尖峰密集使用會使放電率(Discharge Rate)增快,反之則減少,再加上今日行動產品都講究智慧型省電,不同運作模式下更是有不同的功耗用電量。然而很不幸的,供電輸出電壓的準位,會受老化、溫度、放電率等因素所影響,進而造成誤差。

 這三項因素隨時都在影響電壓的輸出準位值,且這三項因素不是不能控制就是控制可行性極低,或控制代價頗大,例如沒有人能讓(充電)電池只消耗使用卻不用老化,也不太可能在產品內部實現恆溫設計及恆電流的進行電能耗用。所以,理想環境下所觀察記錄的對應表並無法反應現實情況,且誤差的幅度頗大,因此才有人提出修正補強的方法。

有關電池管理的電子設計,過往以來多半偏重在充放電的層面,如何更加飽充、快充、耐充(別過度折損電池允許的充放電次數及壽命),近年來因鋰電池的普及運用也開始重視電池安全保護,以免因過充導致過熱融穿產品外殼,或導致燃燒,更有甚者會爆炸。但如今消費者意識也迫此業者重視電量指示與電池辨識等其他項。圖為德州儀器(TI)的電池驗證晶片:bq26100(bq指的是Benchmarq公司,已併入TI)的典型應用電路設計。(資料來源:TI.com)


庫倫計量法

很明顯的,電壓偵測法可以說是「實現成本低但精準代價高」,所以也有業者認為改行他法才是根本之道,所以提倡庫倫計量法。

 所謂庫倫計量法,「庫倫」指的正是電量的單位:Coulomb,庫倫法其實是在電池供電輸出與耗用電能的負載間再進行一個分流設計通常是再並聯一個電阻偵測上即是偵測該新增電阻的兩端壓降從而得知流經此電阻的電流量,得知電流量也等於知道了流經的電量(流過了多少個「庫倫」)。

 由於此段分接的電流流量等於是產品內整體電路運作負載在功耗用電上的縮小取樣,因此不斷偵測此電阻的電流流經量,並將多次流經量的取樣結果進行累計累加(即是對時間進行積分),就可以知道到底耗用了多少的電能,以及電池內應該還有多少剩餘電力。

 庫倫法完全只針對實際的電流量來進行取樣偵測與累計,而不用去理會溫度等其他因素,溫度增減整體負載電阻與新增的偵測電阻是一同增減,而且新增的偵測電阻與整體負載電阻間的阻值比率、電流量比率也都不會改變,所以可以一直維持著精準度。唯一還要持續擔心的是電池的老化問題,老化後的電池其電存空間也會降低,這點依然會影響庫倫法的準確性,以下將會對此進行更多說明。

 庫倫法有精準優點,但相對的麻煩即是偵測電路較複雜,而且為了能精準偵測縮小版的電流量多半必須使用較精密的電阻,連帶的成本也會增加,不過這些都可以逐漸克服,一方面用配套設計的技術來克服,另一方面則如前所述:以營運上的產銷手段來補足,透過採行用量的增加,以量價均攤的方式讓庫倫法可以更普及。

 附註:部分文章也稱「電壓偵測法」為「以電壓為基礎」的電量探測法,而將「庫倫計量法」稱為「以電流為基礎」的電量探測法。


USB電流檢測器
http://steachs.com/archives/16494



電池為什麼會越用電量越少?為什麼用電池校正功能會讓電量恢復一部分?電池究竟怎樣充電才正確?這一切要從電池的電量計算方式說起……

  不管是已經被淘汰的鎳氫電池、現在用的鋰離子電池,還是不常見的鋰聚合物電池,甚至是未來之星的銀鋅電池,都相當於一個存儲電力的倉庫,區別是它們進出庫的方式、庫存的容積而已。在筆記本電腦的電池中,還有一顆負責管理這些電池的大管家——電量計算芯片,它才是管理電池、計算電量、負責充放電的『責任人』。

  在電池電量的計量技術上,常見的方法有4種,但並不是不同品牌本本的電池只采用其中一種方法計算電量,通常都是綜合幾種方法使用,以其中一種為主要計算方法,其餘輔助計算的方式實現電量計算、管理。
第一種是開路電壓測量法,這種方法是通過測量電池在靜止狀態下的電壓數值來計算電池的剩餘容量,不過由於鋰離子電池的靜止時電壓與剩餘容量間的關系屬於非線性,因此這種方法的測量值並不准確,絕大部分手機電池都采用這種計算方法;
第二種叫庫侖計算法,該方法是通過測量電池充電和放電的電流,將電流值與時間值的乘積進行積分後計算得到電池所充進的電量和所放出的電量,庫侖計算法是一種較為精確的電量計算方法;
第三種是阻抗測量法,它通過測量電池內阻值得到電池的剩餘容量值;
第四種是綜合查表法,通過設置一個相關表,將電壓、電流、溫度等參數輸入,就可以查詢得到電池的剩餘容量。

  因此,電池的內部結構除了電芯外,還有管理芯片,芯片中包含有其中一到兩種測量電芯電量的計算方法,並有一套充放電保護電路。筆記本電腦就是在系統之中,通過驅動界面訪問這個芯片,然後對電池進行設置管理的。

  那麼,電池又為什麼會越用電量越少,但執行電池校正功能又能恢復一部分容量呢?筆記本電池一般所謂的6芯電、4芯電,指的就是電池內部有幾個電池電芯。這麼多電芯組合在一起,便是電量越用越少的根本原因:電芯與電芯間品質、放電水平不可能做到完全一致,比如放電後,其中某個電芯電量大幅度減少,為了保持電壓穩定,電池的管理芯片會按照『木桶原理』,按照最差的那節電芯進行充電保護,因此充電後電量自然會有所下降,這個影響甚至超過了電池不可逆轉的化學物理變化。

  電池校正的功能就是為了平衡多節電池,電池由於本身的內阻不可能完全一致,內阻大的電池就會承擔較大的電流,導致本身消耗比其他電池更大,也更易損耗,所以,定期做電池校正功能十分必要——這樣可以平衡多節電池所負擔的『工作』,從而延長整體壽命。


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