TI 电量计介绍与芯片选型指南

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一. 关于电量计

对于电池供电的产品，比如手机、笔记本电脑、电动车等，我们都希望知道其电池还剩多少电、还能用多久，以便我们能放心使用，避免使用过程中电量用光而宕机。这就需要电量计告诉我们这些信息。电量计的输入是电池电压、电流和温度，然后通过对电池建模来计算输出电池的各种信息。目前市面上主要的电量计算法可以分为以下几种：

1. 电压查表法。早期的电量测量主要是通过测量电压来推测电量，但是电池电压容易受到电池的放电倍率和温度的影响，所以所测得的电池电量误差非常大，能达到20~30%，目前市面上大多数电动车用的都是该方案，优点就是便宜，可以不需要额外的电量计芯片，直接利用电池开路电压OCV与电量一一对应的原理，只需要ADC采集电池电压，根据预存 OCV 表来查找对应的电量 SOC。
2. 库仑计数法。库仑计数法的概念与流量计相似，把电池当作一个容器，计数充进电池的电荷量和从电池放出的电荷量，来计算电池内的剩余电荷量。虽然该方法相比于测量电压，不会受电池的放电倍率和温度的影响，但是库伦积分每一次必须将电池容量排空才能更新电池总容量，但是大多数场合使用电池时不会把电池放空，毕竟电池电压太低会导致系统关机。
   
3. 终止电压补偿法（CEDV）。CEDV(Compensated End of Discharge Voltage)算法是对库仑计数法的改进，库仑计数法需要完全满充满放来更新总容量，但困难在于很多用电池的系统不会把电池放空，毕竟电池电压太低会导致系统关机，要留有关机裕量，因此要在放空之前提前更新容量，这就是CEDV算法。考虑到电池放电平坦区的误差影响，不能提前太早，一般选择在平坦区之后约 7%时更新。常用的三个 EDV 点有 EDV2 对应 7%的电压、EDV1 对应 3%的电压、EDV0 对应 0%的电压。在不同的放电电流、不同的放电温度下三个 EDV点对应的电压是会变化的，因此 TI 的 CEDV 算法就会对 EDV 对应的电压进行补偿，根据负载和温度等对 7%的电压进行修正，从而在准确的 7%点更新容量。Ti的BQ4050 和 BQ34110 是常用的 CEDV 算法电量计。
4. 阻抗跟踪算法（Impedance Track）。 Impedance Track算法是基于锂电池电化学特性、动态学习跟踪电池阻抗、结合负载变化来预测计算电量，发挥电压法和库仑计数法的优点，克服电压法和库仑计数法的缺点。BQ40Z50-R2、BQ28Z610、BQ27Z561、BQ27546、BQ27542-G1 等都是常用的阻抗跟踪算法电量计。
5. DVC算法 (Dynamic Voltage Correlation)。。DVC算法是在阻抗跟踪算法基础上，不用电流采样电阻、电流采样网络和 ADC，通过电池电压变化和阻抗模型来推算电流，然后像阻抗跟踪算法那样计算电量。这种方法的整体方案外围电路非常简洁。BQ27621-G1就是采用 DVC 算法的电量计。

二. 关于电量计参数

1. 电池的节数： 1S, 1-2S, 2-4S, >4S 等。电池包可能由多节电芯串联或并联。两个相同电芯串联则电压相加，容量不变。两个相同电芯并联则容量相加，电压不变。电量计把同一串的多个电芯并联当作一个整体看，所以选择电量计时只看电芯串联数目，不看并联数目。1S 单串电量计最多，比如 BQ27542, BQ27742, BQ27Z561 等。1-2S 电量计主要有 BQ28Z610。1~4S 电量计主要有 BQ40Z50, BQ4050 等。5~6S电量计主要有 BQ40Z80 等。更高串数的可用 BQ34Z100, BQ34110 等。

2. 电池的材料： Li-ion/Li-Polymer, LiFePO4, NiMH, NiCd, Lead Acid, Primary Lithium, SuperCap 等。不同化学类型电芯的充放电特性不同，所以查看电芯规格书确定其化学类型，选择支持该化学类型的电量计。支持Li-ion/Li-Polymer 类型电量计最多，除了比如 BQ27542, BQ27742, BQ27Z561, BQ28Z610, BQ40Z50, BQ4050, BQ40Z80, BQ34Z100 等。支持 LiFePO4 的常用电量计有 BQ27Z561, BQ40Z50, BQ4050, BQ40Z80, BQ34Z100 等。支持 Primary Lithium 一次性金属锂电池的电量计有BQ35100，常见于智能水表、智能气表、智能电表、传感器节点、烟雾探测器等应用。

3. 电量计放在什么位置： 电量计放在电池包里可以实现更高的精度，并且可以实现数据加密与电池身份的识别，避免仿冒伪劣电池引起的潜在危险。1串电池电量计也可以放在系统主板上，但由于引入了MOS、连线阻抗的影响，以及不便于校准，电量精度会受到影响，尤其是在更换电芯后，系统端的电量计中的参数设置可能会与实际使用的电芯不匹配，从而带来较大误差。2-4串的电池，如果把电量计放在系统端，因为不便于引线，通常不便于监测每节电芯的电压，电量计自带的均衡功能也可能无法发挥作用，而且必须要在电池包里额外加保护电路，所以通常建议把2~4串的电量计放在电池包里。对于4串以上的电量计，通常无法独立监测每节电芯的电压，需要与模拟前端芯片配合或仅监控电池的平均电压，均衡和保护功能由模拟前端芯片或保护芯片完成，电量计的位置取决于系统的架构。

4. 电量计电路的尺寸要求： 对于用于智能手表等应用，容量较小的电池，由于电池的体积较小，因此对电量计电路的面积有较高要求，可以采用小型封装（比如BGA）的电量计，进一步的话，可以采用集成保护功能、集成电流检测电阻的电量计芯片(比如BQ27Z746)的方式减少外部电路元件来实现减小电路面积的目的。目前TI的电量计封装主要为BGA、SON、TSSOP。

5. 电量计的通讯接口： HDQ, I2C, SMBUS 等。HDQ 是单线通信，常用于电池接口引脚数少的应用。I2C 接口的电量计最多，常用于手机等应用。SMBUS 是基于 I2C 发展而成的，SMBUS 接口的电量计常用于笔记本电脑等应用，SMBUS 电量计能与 I2C 总线主机通信，比如 BQ40Z50-R2 是 SMBUS 协议但单片机 I2C 接口能与 BQ40Z50-R2 正常通信

6. 电量计的成本要求： 通常精度要求高，电量计的成本就会略高一些。对于部分精度要求不太高的应用，TI也为他们提供了简单易用的成本优化的方案，并得到广泛使用，比如BQ27220。

三. TI 芯片选型

截止到如今23年7月，针对不同电池种类、电芯数量、电量计精度、保护功能等，TI官网上的电量计种类就有超过100多款。这里主要列出常用的几款电量计芯片，方便各位做选型。

关于电池位置（电池包与系统端）：

四. 相关链接

1. TI官网电量计选型
2. TI 电量计应用手册