在PDA设计上,以往都是用电池电压来估计剩余电池容量,相对于coulomb counting,其价格较低且系统(host)消耗功率较少。但在愈来愈多附加功能(如smart phone、PDA + GSM、PDA + CDMA)需应用在PDA上,单单靠电压测量是非常不准的,其原因在于系统所需电流范围愈来愈大,系统常会有瞬间大电流及极小电流出现,电压常会造成系统误判,往往造成电池容量的浪费,也增加电池管理的困难度。
《图一 NiMH在不同温度及不同放电速率下的电压曲线》 |
|
电池电压与容量误差
虽然在放电时的电池电压也会下降,但在不同的放电电流与温度下,电压曲线变化很大,以(图一)Ni - Mh为例,以完全放电点(1V)为底线,得知放电的速率及到完全放电点的剩余时间等数据,两者相乘得到剩余容量,(表一)及(表二)表示剩余容量(以mAH表示)与电池电压的关系式(表一以0.1C放电速率,表二以0.7C放电速率)。由此数据可看出剩余容量与所测量的电池电压变化相当不同。Li - Ion电池通常容量大约为Ni - Mh的1/3,其百分比误差也很相似。
表一 剩余Ni-MH容量(以mAH表示)与电压及温度关系(0.1C放电速率)
电压(V) |
温度(℃) |
|
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
0 |
-10 |
-20 |
1.40 |
3418.46 |
3361.71 |
3321.66 |
3721.60 |
3205.04 |
3141.66 |
3031.61 |
2828.14 |
2391.26 |
1.35 |
3245.02 |
3181.60 |
3124.88 |
3068.15 |
3011.60 |
2968.23 |
2914.87 |
2761.44 |
2357.90 |
1.30 |
2921.51 |
2828.09 |
2754.69 |
2687.96 |
2651.40 |
2641.39 |
2641.39 |
2581.34 |
2271.19 |
1.25 |
1177.27 |
1113.89 |
1023.83 |
953.79 |
920.48 |
940.49 |
1150.60 |
2127.77 |
2047.73 |
1.20 |
463.57 |
506.92 |
480.24 |
450.22 |
420.22 |
403.54 |
420.22 |
570.29 |
1354.04 |
1.15 |
273.47 |
290.14 |
280.14 |
263.46 |
246.79 |
230.12 |
220.12 |
260.13 |
490.26 |
1.10 |
146.74 |
170.09 |
166.75 |
156.74 |
146.74 |
136.73 |
130.07 |
143.40 |
226.78 |
1.05 |
53.36 |
66.70 |
66.70 |
66.70 |
63.37 |
60.03 |
56.70 |
63.36 |
90.05 |
1.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
表二 剩余Ni-MH容量(以mAH表示)与电压及温度关系(0.7C放电速率)
电压(V) |
温度(℃) |
|
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
0 |
-10 |
-20 |
1.40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.35 |
|
|
|
2823.67 |
2706.99 |
2520.30 |
2030.24 |
|
|
1.30 |
3010.36 |
2940.35 |
2847.01 |
2753.66 |
2636.98 |
2473.63 |
2005.91 |
1096.80 |
420.05 |
1.25 |
2823.67 |
2730.33 |
2660.32 |
2566.97 |
2473.63 |
2356.95 |
1960.24 |
1073.47 |
412.28 |
1.20 |
2450.29 |
2356.95 |
2286.94 |
2240.27 |
2240.27 |
2170.26 |
1866.89 |
1050.13 |
404.48 |
1.15 |
746.75 |
630.07 |
583.40 |
630.07 |
910.11 |
1750.21 |
1633.53 |
956.79 |
396.71 |
1.10 |
140.02 |
116.68 |
93.35 |
116.68 |
163.35 |
256.70 |
1003.46 |
746.76 |
350.04 |
1.05 |
23.33 |
23.34 |
23.34 |
23.33 |
46.67 |
46.68 |
116.68 |
280.04 |
233.36 |
1.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
改善方法
如果掌握住电池的温度及放电速率与电压的关系式数据,可以从系统改善、校正误差,但若要做到如此,系统就变成比coulomb counting复杂且昂贵,且没有得到明显的效应。在现在注重更长电池寿命及需要更多的附加价值下,PDA的电池管理相形变得重要。根据以上说明,使用电池电压来管理电池再也不是适用且价格便宜的解决方案,取而代之则是coulomb counting 来计算容量,但如何做到低价位及高精准度的gas gauge,请见以下分析。
电池特性分析
1. 描述
现阶段都是以coulomb counting来估算剩余容量。以Dallas DS2438产品为例,它包含integrated电流累计器(ICA),可提供在已知的条件下电池容量的精准测量,然而在实际应用中,温度、放电速率变化、电池寿命老化等等变化因素影响,使得coulomb counting仍需要再调整、辅助,使其估计容量更精准。利用电池容量在温度放电速率的不同特性,用软件coulomb count来控制存取,如Dallas DS2760解决方案,其拥有coulomb counter、温度存取及15 bytes user EEPROM等功能,能在不同的Li - Ion电池上做到高精准度fuel gauging,在设计之前先探讨Li - Ion电池行为特性。
《图二 以coulomb counting来估算剩余容量》 |
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2. 温度及放电速率在Li - Ion的容量影响
将1200mAH Li - Ion电池分二个步骤充电:
- 步骤1. 用1C速率充电直到电池电压到达4.2V。
- 步骤2. 再用固定电压充电直到充电电流低于C/20或60mA,由此来判别完全充电(fully charged)。在放电部份,以1C大电流或0.2C低电流速率放电,当电池电压低至2.5V称为完全放电(fully discharged)。
《图三 不同的温度及放电速率下所呈现的充电容量(以mAH表示)》 |
|
Li - Ion容量变化决定于温度及放电速率。(图三)表示在不同的温度及放电速率下所呈现的充电容量(以mAH表示),“Full"线表示在前述充电方法下电池到达fully charged点,“High Current Empty"线表示在不同的温度以1C放电电流使电池到达fully discharged点。可由此图看出以"Full"线及所对应的"Empty"线所表示的电池容量在不同速率及温度下是不同的,因此在不同温度及速率下,empty及full两点都会改变,且彼此有关系式。
举例来说,如果一个电池在环境80℃温度下达到fully charged,然而在-20℃温度下到达fully discharged,此电池充电容量则变为80℃的full值(1340mAH)与-20℃的empty value(250mAH)相减成为1090mAH。但若此时电池在-20℃温度下达到fully charged,只需使用在-20℃上的full及empty点来得到充电容量(860mAH)。
只有在快速的温度变化及速率需探讨相对性full及empty两点,电池一开始先在温度1以放电速率1来放电,再由放电电流2在温度2达到fully discharged,empty点则取放电速率2和温度2数据。同样的电池以大电流放电至fully discharged后仍然可以小电流再进一步的放电,这是因为在同一温度下以不同的放电速率所呈现的empty点有少许mAH容量差距,故决定剩余容量时只需掌握所处的温度及放电速率即可。
3. 电池老化
电池老化与时间有很大的关系,可由(图四)看出在25℃温度下重复性充电及放电下的电池容量效应,以coulomb counting持续观察,可以发现老化只影响到Full point,empty point仍保持不变。为了考虑此因素,计算剩余容量公式须动态性的调整以保持准确性。
4. 其他因素考虑
大部份其他的特性因素只对充电容量有一点点或没有影响。Li - Ion充电效能非常好,只有一点点的能量损耗到热能上。Li - Ion的自我放电也是相当低的,因为这些综合起来的特性影响容量准确性极低,故在fuel gauging计算中被忽略。
《图四 25℃温度下重复性充电及放电下的电池容量效应》 |
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如何计算剩余容量
由以上探讨得知在实际情况下若只用coulomb counting方法是相当不准确的,以下章节则指引如何以coulomb counting方式再加上Empty及Full两点来精准估算剩余容量。
1. 如何找寻电池特性数据
以DS2438为例,在fuel gauging计算式中,可由DS2438 ICA值来找到各种电池“Empty"及"Full"值,再将此值存入DS2438 EEPROM内。在涵盖温度范围及电流累计应用下得到电池特性数据,将此数据逐步地存入pack剩余内存内以提供system参考与修改演算使用,可由(图四)表示系统如何得到电池特性数据。
取较多电池的数据,再取平均值或典型值存入,为了得到最佳的准确度,这些数据需在已组装好的pack上获得,不能只是在单电池上做实验,为了得到这些特性数据,此电池需在每个温度下做完全放电及完全充电。由(图六)可知DS2438 ICA读取器在0℃到40℃温度下所得到的完全充电值及active current(大电流)放电值,再由此相同温度条件去取得standby current(小电流)放电数据。
所有收集数据被安排到(表三),因为只有点与点之间相对容量有参考价值,其数据上的绝对值容量反而不那么重要,故这些数据可被标准化到最低的值(standby current 在40℃),如此可降低储存数据值的大小,因为standby current 在40℃放电的Standby empty值并不是0 mAH。
表三 电池特性数据
|
0℃ |
10℃ |
20℃ |
30℃ |
40℃ |
FULL(mAH) |
554 |
561 |
578 |
582 |
588 |
STANDBY EMPTY(mAH) |
65 |
42 |
19 |
11 |
0 |
ACTIVE EMPTY(mAH) |
124 |
90 |
65 |
50 |
44 |
2. 计算公式
在取得电池pack的特性表后,计算剩余容量就变得非常简单了。根据特性表数据,依据当时温度及放电速率下找到其对应电池full及empty点,再利用DS2438 ICA得到容量,以此两者数据得到以百分比显示的剩余容量比。一开始,由DS2438 EEPROM取出特性数据,将此数据存入系统的RAM中,当系统要更新剩余容量比时,先读取电池温度及DS2438的ICA容量值,若所处温度并未在特性表内,则可由已知的临界两Full点以线性化取得Full值。以28℃为例,其电池Full point可由以下计算式得知。
Empty point也采用此方法,只需注意要根据系统消耗电流情况来决定以Active或Standby特性数据代入,如此就可由以下公式得知以百分比显示的容量比例。
解决方案案例探讨
在计算剩余容量时,若能掌握电池在温度及放电速率数据,其精准度会比用coulomb counting来得准确,将此特性数据存入gas gauge内,gas gauge 同时提供温度、电流、电压、累计容量,配合系统软件计算容量比率及更新EEPROM特性表(达到充放电完整周期时),就能够使整体成本做到比Notebook方案更省,同时达到电池容量精确管理,这些功能在PDA及smart phone的设计上是相当重要。
以Dallas DS2760解决方案为例,其测量电池容量(ICA)、电压、精准温度等数据,提供充电、放电的监视及保护。此方案采用Dallas 1-wire界面,提供全双工的数据传递,同时也包含64bit ROM及ID number,可透过1-wire连接许多装置,在PDA及smart phone上有两个电池(PDA、Cradle)的设计相当实用。DS2760另外拥有32byte lockable EEPROM及16byte通用SRAM,此内存专门记载电池重要数据,如电池特性数据。
在保护线路部份,DS2760是个整合gas gauge及保护功能的解决方案,其可持续性观测电池电压、电流来保护电池有无过电压、低电压、过电流及短路现象。
在消耗电流部份,DS2760拥有两个操作模式:Active及Sleep。在Active mode ,DS2760持续地测量电流、电压、温度、容量等系统所需的数据且保护电池机制启动, 种种动作只消耗电池80uA电流,若进入sleep省电模式,则降至2uA。
在零件整合度部份,DS2760不仅把gas gauge及保护整合在一个IC,同时提供TSSOP及Flip-Chip2个包装来符合各种尺寸限制,同一种包装拥有内含25mohm current sense电阻或user - selectable外部current sense电阻。采用内含current sense电阻,其电流分辨率为0.625mA,最大范围到 ±1.8A,采用外部current sense电阻,则测量VIS电压填入电流缓存器中,其分辨率为15.625uV,最大范围可到 ±64mV,以12bit表示。
在工具辅助部份,DS2760提供一系列完整的测试、校正、填入EEPROM辅助工具,配合实用的应用程序来使gas gauge加上电池特性落实在PDA上。
结论
在PDA日益精进的设计中,因应各种应用所需的电池愈来愈大,在强调长时间的使用下,如何应用coulomb counting观念也愈来愈重要。它可掌握电池在温度及放电速率不同特性,由实用gas gauge IC提供电池数据,经由系统达到精确的容量比率运算,且不占用太多系统资源,若能将电池与电池间的特性差异、电池老化等电池变化特性时时保持更新,将可使电池容量在使用初、使用后都能确实保持准确,使PDA真正做到最佳的电池管理。
(作者任职于美信积体产品公司)