使用库伦计监测锂离子电池

从前，工程师大概会自问：“需要几台笔记本电脑才足够？”如今，问题变成了：“需要几台平板电脑？”近来，我所用的是 RCA 的 12 英寸 Android Marshmallow 可翻转式平板电脑，外形美观，带可拆卸键盘。会议期间，就如一台普通的超薄型笔记本电脑，可用于输入重要备注信息，例如“结合解决方案重组营销方案”或“多吃鸡肉”。偶尔需要向其他团队成员展示演示文稿时，我会将显示屏与键盘拆开，用以阐示图表。当然，其实没人认真听（就像我的父母），反而会问我“那是什么？”然而悲催地是，他们所指的并非我极具说服力的熟练 PowerPoint 技巧，而是想了解我的平板电脑。

于是，我们开始讨论我的平板电脑，并放映 "The Adventures of Buckaroo Banzai Across the 8^th Dimension"（《天生爱神：第八度空间之门》）直至午休。之后，平板电脑屏幕变黑进入休眠状态，我小心翼翼地按下电源按钮将其唤醒，屏住呼吸希望它没有冻结。这种故障称作 Android 死亡休眠 (Sleep of Death, SOD)（如果已存在首字母缩写，那么必定存在这种故障）。不过，没关系，我知道该如何解决——第二天，我将平板电脑充电至 100%，播放电影 ("Buckaroo")，保持屏幕开启，放电至 2%，然后再次充电至 100%。每年操作两次，平板电脑自此不再死机，反而更加稳定。但问题在于，此方法为何会奏效呢？

近来，我为 Digi-Key 写了一系列获奖（我印象中是这样）文章，该系列文章分为三个部分，内容涉及可穿戴设备的设计。在第 2 部分“实现电池长寿命的保护与充电方式”中，我针对锂离子电池和电池电量计进行了探讨。与网络上流传的多数说法不同，其实平板电脑或可穿戴设备的主处理器无法跟踪电池的电量和健康状况，而独立芯片可以做到。便携式电池供电型设备大多使用锂离子电池，而且很多都采用了 Maxim Integrated 电池管理芯片。在您认为便携式设备已关闭时，电池管理芯片其实仍在运行，持续监控锂离子电池的状态。

可充电锂离子电池的电量测量并非简单读取其占最大电压的百分比。例如，3.7 V 锂电池的电压为 3.1 V，电池电量并非 84%，因为多数情况下锂离子电池电压为 3.0 V 时就已视为无电。但是 14% 也不正确。那么，该如何确定锂离子电池的可用容量呢？

可以使用库仑计。电池管理芯片大体可以计算出流入和流出电池的电荷量。确切地说，库仑计会跟踪一段时间内流入和流出锂离子电池的总电流和电压，从而确定电池的可用容量。

简单举例来说，如果满电量电池提供 200 mA 电流达 48 小时方才耗尽，则电池容量为 200 mA x 48 h = 9.6 Ah。实际上，库仑计的工作原理相当复杂，因此才需要借助专用智能芯片来进行数学计算。Maxim Integrated 的 MAX17303X+ 正是这类芯片。如图 1 所示，应用电路底部的检测电阻可测量锂离子电池的输入和输出电流。

图 1：Maxim Integrated 的 MAX17303X+ 锂离子电池管理芯片可轻松连接微控制器，跟踪电池的输入和输出电流（图片来源：Maxim Integrated）。

MAX17303X+ 是可编程器件，通过 I²C 串行接口连接微控制器。内部处理器可用于电池计算，配备 RAM 和非易失性存储器。该芯片可跟踪电池放电时的输出电流和电压，以及充电时的输入电流和电压。该公司的电池电量计专有算法 ModelGauge m5 提高了库仑计性能。

非易失性存储器用于存储电池的最大电压、最小电压、电流和温度，以及所收集的电池状态信息（电池掉电时仍可保留）。这一点相当重要，因为许多锂离子电池都包含保护电路，在极低电压下会禁用电池直至充电，藉此防止深度放电。

对于消费者而言，MAX17303X+ 最重要的功能是可为电池电量计准确跟踪电池状态。充电状态 (SOC) 可用当前电池可用容量（以 Ah 为单位）占电池最大测量容量的百分比来计算。健康状态 (SOH) 是指相对于新电池最大容量的电池最大可用容量。

尽管如此，无论电池管理芯片智能化程度多高，仍然不免会出错，因此为了保持电池电量计的准确性，必须对其进行校准。校准方法是将电池电量由 100% 放电到几乎为零，从而使 MAX17303X+ 准确了解放电行为。然后，将电池充电至 100%，使该芯片了解充电容量。此时，电池电量计就已完成校准。

于是，我用此方法来校准 RCA 平板电脑的电池，再次播放 Buckaroo Banzai，保持屏幕开启，放电至 2%，防止 SOD。然后充电至 100%，然后关闭平板电脑五分钟，使电池管理芯片有时间在最小负载下读取满电量电池的电压。此后，平板电脑就不再死机。不仅如此，触摸反应也变得更为灵敏。

工作原理

为什么校准电池电量计可以防止平板电脑死机？我的理论是，按下电源按钮唤醒休眠状态时，主机微控制器会先从所使用的任何电池管理芯片中读取电池状态。我认为，主机微控制器固件读取了意外数据（读取：非编码），然而固件并不具备针对该问题的异常处理程序，因此平板电脑才会冻结。平板电脑处于活动状态时也与之类似，它会定期监测电池管理芯片的数据。

这又引出一个问题：“为何不能持续校准电池？”因为锂离子电池会因深度放电造成永久损坏，所以每年两三次就够了。此方法适用于配备可充电锂离子电池的任何产品，包括可穿戴设备和物联网 (IoT) 端点。

因此，校准电池可以提高锂离子系统的稳定性。对于高精度电池电量计而言，电池校准相当必要；而在我们希望开启第 8 度空间之门时，更有必要。