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本文原創(chuàng)：硬件大熊，作者：雕塑者
IOT產(chǎn)品如智能手環(huán)、電動牙刷、智能門鎖等，這些具有多功能特性的設(shè)備要求電池必須能夠提供更多的供電能力以及更長的運行時間。電子系統(tǒng)設(shè)計人員通常將注意力集中在提高電源轉(zhuǎn)換效率、配置芯片休眠模式、提高電池容量等方面。然而，關(guān)于電池電量檢測的精度的檢測問題卻很容易被忽略。
問：為什么要關(guān)注電池電量檢測精度？
答：我們花費極大精力對功耗進行優(yōu)化，然而電池電量檢測的誤差范圍卻是±10%，那么意味著系統(tǒng)低電量報警時，有10%電池容量或運行時間此時并未處于需要報警的地步。
關(guān)于電池電量檢測常見的有如下幾種方案——
庫侖計計量
庫侖計計數(shù)的基本原理是對流入、流出電池的電流進行積分算法，在實際應(yīng)用上通常使用專用IC進行檢測統(tǒng)計。對于可充放電的電池而言，這種方法非常有效，但是對于不可充電電池，如智能門窗傳感器中的紐扣電池，設(shè)計者無法知曉用戶用的是哪家品牌的電池，因此沒有一個準確的電池初始容量數(shù)據(jù)，由于一次性使用的電池用完即報廢，因此沒有所謂的充電電流。庫侖計只有在完全充電以后立即進行完全放電才能對電池的容量進行更新，這種弊端在便攜式的IOT產(chǎn)品中非常明顯。
另外，庫侖計本身在工作時功耗也是不可忽略的點，以TI的BQ76920庫侖計芯片為例，開啟ADC采集的模式下，自身消耗的功耗可以達到130uA，對于便攜式IOT產(chǎn)品而言，這樣的功耗可能已經(jīng)遠超自身功耗了。
電池電壓檢測
檢測電池的電壓，通過電池電壓數(shù)據(jù)等效判定電量的高低。這種設(shè)計通常會使用一個電壓跟隨器進行阻抗匹配，設(shè)計者可以把檢測電阻調(diào)整至M級別以減小對電池的電量損耗。這種設(shè)計相對比較直觀，但由于電池內(nèi)阻的存在，只有在未對電池進行大電流抽電的情況下，所檢測到的電壓才與電池電量具有強關(guān)聯(lián)性。在電池老化，以及使用環(huán)境處于低溫狀態(tài)下時，檢測到的電量誤差會更加大。
阻抗跟蹤計量
電池的穩(wěn)態(tài)電路模型可以簡化為電壓源和電阻，電壓源相當于電池開路電壓，電阻則相當于電池內(nèi)阻。在大電流抽電的情況下，內(nèi)阻會分擔一部分的壓降，比如一節(jié)已經(jīng)使用了1年的干電池，在低溫0℃的情況下，內(nèi)阻可能達到0.5Ω，假設(shè)用前文的“電池電壓檢測”方案得到的電壓值為1.2V，單純從電壓的角度上來看該電壓足以驅(qū)動一個1V供電的馬達，但實際上，如果此時馬達的啟動電流為1A，則在啟動的一瞬間該電流若流過內(nèi)阻會造成0.5V的壓降。由此電池的輸出電壓為1.2-0.5=0.7V，0.7V的電壓無法驅(qū)動該馬達，即：即使該電池電壓為1.2V，但在內(nèi)阻為0.5Ω的特性下仍無法驅(qū)動該工作電壓為1V的馬達。
實際上，以恒定的電流對電池進行放電，其放電曲線近似如下：
我們可以看到電池的放電曲線在中間過程會比較平坦，而在接近滿電量與低電量的時候電能下降速率明顯加快，這個與電化學反應(yīng)的特性有關(guān)。同樣，電池內(nèi)阻并非一個常數(shù)，該數(shù)值可以反饋電池的動態(tài)放電性能。
關(guān)于阻抗的測試，介紹一個方法：首先在電池處于低電流輸出的情況下檢測電池電壓Ua，然后對電池進行大電流I抽電(實際應(yīng)用過程中，為了避免不必要的電量浪費，建議結(jié)合產(chǎn)品的大電流動作進行檢測)，待大電流抽電結(jié)束的瞬間，檢測電池的電壓Ub，則電池內(nèi)阻r=( Ua - Ub )/I。
測量電池電壓、內(nèi)阻，考慮靜態(tài)與動態(tài)情況，再加入放電速度、工作溫度、老化程度、自放電特性等參數(shù)，則可將電池電量的計算與這些參數(shù)建立起具有函數(shù)關(guān)系的模型，此即：阻抗跟蹤計量。
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