基于开路电压(OCV)的电量计DS2786

摘要：DS2786是基于开路电压(OCV)的电量计，可报告储存在锂离子(Li+)电池中的总电量。正常工作温度条件下，OCV是理想的锂离子(Li+)电池存储容量指示器。然而，由于电池阻抗随温度变化，实际提供给应用电路的容量与电池中储存的容量将有所不同。本应用笔记描述了不同温度和负载条件下，如何提高基于OCV的电量计DS2786估算能提供给应用电路的电池容量的精度。

引言基于OCV的独立式电量计DS2786可根据空闲状态下电池的开路电压来估算可充电锂离子(Li+)电池的可用容量。器件根据储存在IC中的查找表，通过开路电压确定电池的相对容量。这一功能使用户可以在电池组插入后立即得到准确的容量信息。

然而，由于电池阻抗随温度变化，根据温度和负载条件不同，电池的可输出容量可能会与DS2786报告的剩余电量有些差别。本应用笔记描述了如何理解基于OCV的电量计DS2786的读数，以及如何准确估算特定温度和负载条件下可供给应用电路的容量。

描述电池特性为了阐明如何提高基于OCV电量计的估算精度，本应用笔记给出了一个范例，该范例采用经Dallas Semiconductor公司经过特性测试的1100mAh电池的OCV曲线。在20°C温度条件下，电池以950mA恒流充电至4.2V。然后，又以4.2V恒压对该电池充电。当充电电流逐渐减小至50mA时，可认为电池为满电量(100%)。随后，以220mA负载电流(0.2C)对电池放电直到电池电压降至2.5V。此时，可认为电池电量为零电量(0%)。

随后，以8段折线线性近似电池特性曲线，并储存到DS2786中。表1给出了该指定电池的容量和对应开路电压，而图1绘出了电池的OCV曲线。

表1. 范例电池的OCV曲线   Capacity (%) OCV (V) Breakpoint 8 100 4.177 Breakpoint 7 85 4.040 Breakpoint 6 55 3.832 Breakpoint 5 45 3.799 Breakpoint 4 25 3.755 Breakpoint 3 15 3.693 Breakpoint 2 10 3.687 Breakpoint 1 5 3.593 Breakpoint 0 0 3.213

图1. 根据表1中的数据绘出的OCV曲线图

进一步测试电池的温度特性(0°C、10°C和20°C)，以确定电池在不同充电状态下的OCV特性。在本应用笔记中，假设温度高于20°C时测试曲线的变化可忽略。

按照上述的过程把电池充电至满电量。然后，再分别以600mA、275mA、100mA和5mA的电流将电池放电至3.2V。这些放电率分别表示无线手持设备的多媒体模式、通信模式、背光模式和待机模式。

每当电池达到满电量或零电量时，就将电池闲置一个小时并且记录其OCV (表2)。图2给出了电池OCV相对于电池温度的曲线图。

表2. 满电量点和零电量点的开路电压   Open-Circuit Voltage (V)   0°C 10°C 20°C Full 4.141 4.166 4.176 Empty 600mA 3.703 3.633 3.472 Empty 275mA 3.609 3.431 3.308 Empty 100mA 3.413 3.290 3.242 Empty 5mA 3.229 3.215 3.211

图2. 根据表2中数据绘出的范例电池OCV相对于电池温度的曲线图

在实验过程中，DS2786中装入了表1给出的曲线并且连接到电池上。DS2786估算各个满电量点和零电量点的剩余电量，如表3所示。图3是根据表3中数据绘出的曲线。

表3. DS2786报告出的剩余电量   Remaining Capacity (%)   0°C 10°C 20°C Full 96.5 99.0 100.0 Empty 600mA 16.5 5.0 2.5 Empty 275mA 4.5 3.0 1.5 Empty 100mA 2.0 1.5 1.0 Empty 5mA 0.5 0.5 0.5

图3. 该图给出了DS2786报告的剩余容量相对于电池温度的关系。由于电池阻抗随温度变化，电池不能完全释放其存储的电量。

修正DS2786报告的容量表3表示在不同的温度和负载条件下，锂离子(Li+)电池中储存的电量不能完全释放到应用电路中。为了修正DS2786报告的电量，只需要减去当前温度和负载条件下不能释放到应用电路中的电量就可以了。

例如，假设应用电路在通信模式下消耗的电流为275mA。根据表3，在20°C时电池储存能量的1.5%不能释放到应用电路中。如果DS2786根据OCV测量结果报告电池的剩余电量为其储存能量的20%，那么在该模式下，应用电路将以1.5%作为空电量点基准，并且报告还有18.5% (20% - 1.5%)的总电池电量可以使用。温度为0°C时，在相同负载下将有4.5%的电池储存电量不能释放。在这种情况下，应用系统应该报告还有15.5% (20% - 4.5%)的总电池电量可以使用。

结论提高基于OCV的电量计DS2786的电量估算精度，从而可使应用电路能指示出在特定温度和负载条件下，有多少Li+电池中存储的能量能够传递给应用电路。可通过构造一个简单的表格并采用数据内插的方法，来进一步提高容量报告的精度。Dallas Semiconductor公司可帮助用户采集数据和构建表格。

附录A：与库仑计比较Dallas Semiconductor公司基于库仑计的电量计提供了一种方法，可报告不同温度和负载条件下能够释放到应用电路的电池电量。欲了解这种电量计方法的详细内容，请参看应用笔记131。

表4给出了相对于表1中给出的零电量(0%)点的满电量点和零电量点，以mAh为单位。Dallas Semiconductor公司的库仑计电量计正是使用表4估算电池可释放的剩余电量。表5给出了相比20°C时电池满电量1108mAh的百分比。这些器件的累积电流寄存器(ACR)与各个零电量值相比较，差值被返回作为相应温度和负载条件下能够释放到应用电路的电量。

把DS2786报告的剩余电量(表6)与表5中归一化的满电量和零电量点进行比较，可看出DS2786在每个点报告的剩余电量与采用库仑计方法报告的剩余电量相差不大。

表4. 以mAh为单位的满电量和零电量点   Deliverable Capacity (mAh)   0°C 10°C 20°C Full 1061 1096 1108 Empty 600mA at 3.2V 156 58 27 Empty 275mA at 3.2V 56 24 11 Empty 100mA at 3.2V 27 12 7 Empty 5mA at 3.2V 14 8 6
表5. 相对20°C时的满电量和零电量点   Deliverable Capacity (%)   0°C 10°C 20°C Full 95.74 98.87 100.00 Empty 600mA at 3.2V 14.10 5.19 2.43 Empty 275mA at 3.2V 5.08 2.14 1.02 Empty 100mA at 3.2V 2.41 1.09 0.66 Empty 5mA at 3.2V 1.24 0.73 0.51
表6. DS2786报告的剩余电量   Remaining Capacity (%)   0°C 10°C 20°C Full 96.5 99.0 100.00 Empty 600mA at 3.2V 16.5 5.0 2.5 Empty 275mA at 3.2V 4.5 3.0 1.5 Empty 100mA at 3.2V 2.0 1.5 1.0 Empty 5mA at 3.2V 0.5 0.5 0.5
附录B：电池满充电量的比例缩放0°C时对电池充电，电池在较低的电量时就会到达满电量点。0°C时，电池中存储的电量为1061mAH；而20°C时，电池中存储的电量为1108mAH。当0°C并且电池满充时，DS2786将根据OCV测量结果报告电池中储存的电量为其总电量的96.5%。如果还减去275mA零电量点时的4.5%，则0°C时满充的电池只能以275mA负载电流向应用电路提供电池总容量的91.5%。

这是对电池所能释放的容量占总容量百分比的准确描述，但对于终端用户来说，当电池满充却没有显示剩余电量为100%，这将很容易造成混淆。由于1108mAh的电量中只有91.5%可用，因此可以相应的缩放所显示的容量，以显示在0°C时所存储的容量中有100%可用。

为此，只需要简单地把当前温度和相应的负载条件下，可释放给应用电路的电量与可用电量的相比。在本范例中，0°C时，在通信模式下可提供的电量的百分比91.5%与91.5% (满电量 - 零电量)，即得到100%。当DS2786报告剩余电量为20%，我们知道0°C时只能提供满电量的15.5% (20% - 4.5%)，因此，为了确定0°C时可提供的电量，将15.5%除以91.5%，得到17%。这就是说可向应用电路提供0°C时电池电量的17%。通过这种方法就可以解决用户可能遇到的任何问题。



其中：
CapacityDS2786 = IC报告的相对电量值；
Empty = 相应温度和负载条件下测得的零电量点；
Full = 相应温度下测得的满电量点。