前言：

電池電量計應用指導,來源:TI,因PDF有200頁，在文尾附有目錄；上傳提示資源重復，請自行下載，找不到的可私信。

電池充電曲線，紅色為電壓，藍色為電流 圖2.10 匹配化學 ID 所需要的電壓電流曲線

1 電量計介紹

本書第一部分介紹電量計是什么、電量計能做什么、電量計如何計量、TI 電量計怎么選型。

1.1 電量計是什么

對于電池供電的產品，比如手機、筆記本電腦、電動車等，我們都希望知道其電池還剩多少電、還能用多久，以便我們能放心使用，避免使用過程中電量用光而宕機。
這就需要電量計告訴我們這些信息。
電量計英文名稱 Gas Gauge, Fuel Gauge, 或簡稱 Gauge，與傳統燃料計、油表等英文名同源。顧名思義，電量計就是監測電池、計量電量。

我們通過一個典型電池包框架可以很好理解電量計是什么、用在哪里。圖 1.1 是一個典型電池包框架，電池包內部包含電芯、電量計 IC、保護 IC、充放電 MOSFET、保險絲 FUSE、NTC 等元件。一級保護 IC 控制充、放電 MOSFET，保護動作是可恢復的，即當發生過充、過放、過流、短路等安全事件時就會斷開相應的充放電開關，安全事件解除后就會重新恢復閉合開關，電池可以繼續使用。一級保護可以在
高邊也可以在低邊。二級保護控制三端保險絲，保護動作是不可恢復的，即一旦保險絲熔斷后電池不能繼續使用，又稱永久失效(Permanent Failure, PF)。電量計 IC采集電芯電壓、電芯溫度、電芯電流等信息，通過庫侖積分和電池建模等計算電池電量、健康度等信息，通過 I2C/SMBUS/HDQ 等通信端口與外部主機通信。

電量計 IC 與保護 IC 可以分立，也可以集成。圖 1.1-(a)用了分立電量計（比如BQ27542-G1, BQ27Z561-R2 等），圖.11-(b)用了集成保護功能的電量計（比如BQ27742-G1, BQ28Z610-R1, BQ40Z50-R3 等）。

1.2 電量計能做什么

從圖 1.1 可知電量計 IC 緊緊跟隨電池、最了解電池，因此電量計除了計量電池剩余電量的基本功能之外，電量計可以做的事情有很多。下面列舉一些電量計常用的功能：

電池電壓、電流、溫度監測

o 為主機系統提供電池電壓、電流、溫度等信息，便于系統應用決策。
o 準確的電池端電壓、電流、溫度有利于實現安全、準確的充放電控制和管理。

電池容量預測

o 預測電池剩余容量(Remaining Capacity, 簡稱 RC 或 RM, mAh 或mWh)、電池滿充容量(Full Charge Capapcity, 簡稱 FCC, mAh 或mWh)、電池剩余容量百分比(State of Charge, 簡稱 SOC, %)。
o 預測剩余放空時間(Average Time To Empty)、剩余充滿時間(Average Time To Full)。
o 有了準確的容量預測，則可以充分利用電池的容量，充得更滿、放得更空，從而獲得更長的電池續航時間。

電池健康度預測

o 電池健康度(State Of Health, %)，反映電池老化程度，便于系統做電池回收或更換決策。
可用于充電決策，預防電池加速老化或鼓包。

電池安全預警及保護

o 對于集成保護的電量計，電量計可以做非常全面的安全預警及保護。
比如 TI 的 BQ40Z50-R2 電量計集成 20 項可恢復保護、23 項永久失效保護。保護項目涵蓋電壓方面（過充、過放），電流方面（充電過流、放電過流、短路），溫度方面（電芯高溫、電芯低溫、充放電 MOSFET 高溫），電芯內部（電芯內短路），電芯配組方面（電芯斷線、電池不均衡），充電方面（充電電壓過高、預充超時、快充超時、容量過充），系統方面（通信超時、NTC 斷線、充放電MOSFET 失效、FUSE 失效、外部二級保護觸發等），以及電量計本身等多方位全功能的安全保護。
o 電池安全保護可簡單分為一級和二級。一級保護是控制充放電MOSFET，可恢復的。二級保護是熔斷三端 FUSE，不可恢復的，又稱永久失效(Permanent Failure, PF)。一級保護可分為多個層次，比如軟件采集電流作比較判斷過流保護，比較門限值較高、延時較長；硬件比較器比較電流作比較判斷過流保護，比較門限值較低、延時較短。

電池 Lifetime & Black Box 記錄

o Lifetime 記錄電池生命周期里的使用狀況，比如電壓、溫度、電流的最大值、最小值，循環次數，運行時間，滿充記錄，安全事件等等。
o Black Box 記錄電池發生永久失效（Fuse 熔斷）那一刻電池的各項參數、狀態。
o 此外，電量計還可以儲存生產信息、序列號等用戶信息，方便追溯。
o 給保修分析提供依據。

實施安全快充管理

o 電量計擁有電池的準確電壓、電流、溫度、健康度等信息，能夠實時根據當前電池狀態向主機充電器索取最合適的充電電壓、充電電流，能夠在安全的條件下實現多種形式充電需求，比如 JEITA、線損補償、快充、降額充電等等。
o 對于集成保護的電量計，還可以實施充電保護。
o 有了準確的健康度預測、電池安全預警及保護、電池安全充電控制，則可以充分保護電池安全，延長電池壽命（循環次數更多）。

電池認證

o 集成專業的加密認證算法（比如 SHA-1, SHA-256, ECC 等）來標識電池是授權的。只有授權的、安全的電池才能使用或充電。

其它功能
o 提供電池支持的最大電流、最大功率信息，支持 Turbo Mode (DBPT)等。
o 對于集成保護的多串電量計還具有電池均衡功能，比如BQ40Z50/BQ4050 等。
不同電量計可能包含以上功能的某幾個甚至全部，比如 BQ40Z50-R2/R3 具有以上全部功能。

電量計是如何計量的

從圖 1.1 電池包框架可知，電量計的輸入是電池電壓、電流和溫度，然后通過對電池建模來計算輸出容量信息。所以電量計的三大核心是：(1)硬件，來實現高精度采樣、低功耗運行；(2)算法，來對電池建模；(3)固件，把算法編程實現，計算輸出容量信息。
下面介紹幾種電量計量算法。

電壓查表法

最簡單的電量計量算法是電壓查表法，利用電池開路電壓 OCV 與電量一一對應的原理，只需要采集電池電壓，根據預存 OCV 表來查找對應的電量 SOC。
$$SOC=f(OCV)$$
這種方法比較容易實現，常見于對電量精度沒有要求、只用幾段 LED 粗略指示電量區間等場合。電壓查表法的優點是在電池靜置無電流、電壓充分穩定時比較準確，無需完全放電即可知道當前的容量。缺點是有電流時精度差，尤其是負載波動時可能導致電池容量指示上下跳動。由于電池內阻，有電流時電池兩端電壓已經不能跟SOC 一一對應；此外，電池有瞬態效應，加載瞬間電池電壓非線性變化，移除負載時電池電壓非線性恢復，并且放電深度不同其恢復時間不同，電壓充分穩定需要很長時間。

庫侖計數法

庫侖計數法的概念與流量計相似，把電池當作一個容器，計數充進電池的電荷量和從電池放出的電荷量，來計算電池內的剩余電荷量。庫侖是電荷量的單位，1 庫侖=1 安培·秒，所以可以通過對電池電流積分來計算電量。

$$Q=\int idt$$
$$SOC=\frac{Q_{full}?Q_{passed}}{Q_{full}}$$
庫侖計數法的優點是不受電壓測量失真（比如電池內阻導致電壓失真、瞬態效應導致電壓失真、放電曲線平坦區細小電壓變化導致電量較大誤差）影響；在電池有電流時仍可準確測量。缺點是需要完全充滿完全放空來更新總容量，否則有誤差累積；只能測量電池進出的電流，無法測量電池自放電電流，因而無法排除自放電的影響。

CEDV 算法

CEDV(Compensated End of Discharge Voltage)算法是對庫侖計數法的改進。庫侖計數法需要完全滿充滿放來更新總容量，但困難在于很多用電池的系統不會把電池放空，畢竟電池電壓太低會導致系統關機，要留有關機裕量。因此要在放空之前提前更新容量。考慮到電池放電平坦區的誤差影響，不能提前太早，一般選擇在平坦區之后約 7%時更新。常用的三個 EDV 點有 EDV2 對應 7%的電壓、EDV1 對應 3%的電壓、EDV0 對應 0%的電壓。在不同的放電電流、不同的放電溫度下三個 EDV點對應的電壓是會變化的，因此 TI 的 CEDV 算法就會對 EDV 對應的電壓進行補償，根據負載和溫度等對 7%的電壓進行修正，從而在準確的 7%點更新容量。在本書第三部分詳細介紹 CEDV 算法的原理。BQ4050 和 BQ34110 是常用的 CEDV 算法電量計。

Impedance TrackTM 阻抗跟蹤算法

Impedance TrackTM 阻抗跟蹤算法在基于鋰電池電化學特性、動態學習跟蹤電池阻抗、結合負載變化來預測計算電量，發揮電壓法和庫侖計數法的優點，克服電壓法和庫侖計數法的缺點。在本書第三部分詳細介紹阻抗跟蹤算法的原理。BQ40Z50-R2, BQ28Z610, BQ27Z561, BQ27546, BQ27542-G1 等都是常用的阻抗跟蹤算法電量計。

DVC 算法

DVC (Dynamic Voltage Correlation)算法是在阻抗跟蹤算法基礎上，不用電流采樣電阻、電流采樣網絡和 ADC，通過電池電壓變化和阻抗模型來推算電流，然后像阻抗跟蹤算法那樣計算電量。這種方法的整體方案外圍電路非常簡潔。BQ27621-G1是采用 DVC 算法的電量計。

2 電量計開發和量產流程

電量計應用首先是在研發階段制作量產文件，然后在生產階段把量產文件燒錄到電量計。本書第二部分介紹 TI 的阻抗跟蹤算法電量計和 CEDV 算法電量計在研發階段和生產階段的應用流程、方法和工具。

2.1 阻抗跟蹤電量計開發流程

2.1.1 阻抗跟蹤電量計開發流程
阻抗跟蹤電量計在研發階段的工作主要是制作量產文件。圖 2.1 是阻抗跟蹤電量計在研發階段的開發流程，主要分為六步：
第 1 步：確定電池化學 ID。TI 建立了一個龐大的數據庫，為各種型號電池的放電特性制作相應的化學 ID。每個化學 ID 包含了化學容量 Qmax、開路電壓曲線 (OCVtable) 、阻抗曲線(R table) 等信息。阻抗跟蹤算法電量計基于電池化學 ID 進行容量計算和阻抗更新。在本書第 2.2 章詳細介紹化學 ID 獲取方法。
第 2 步：制作電量計的電路板。在本書第 4 部分詳細介紹電量計電路設計、layout設計方法。
第 3 步：配置電量計參數。TI 電量計開放很多參數，以便于用戶根據不同電芯、不同 PACK 組合、不同應用系統需求來設計不同的值。電量計參數的功能和配置方法在各個電量計的技術參考手冊(Technical Reference Mannual, TRM) 里詳細描述。
第 4 步：校準電壓、電流、溫度。準確的電池電壓、電流、溫度是電量計進行電量計算和電池保護的前提。在研發階段可按本書《從零開始快速讓電量計工作起來》章節的校準方法來校準。
第 5 步：Golden Learning 電量計學習。電量計 Golden Learning 就是通過特定的充放電循環 (learning cycle) 來學習、更新電池模型參數。在本書第 2.3 章詳細介紹電量計 Golden Learning 方法。
第 6 步：制作量產文件 Golden Image。按照本書第 2.3 章 Golden Learning 方法，Golden Learning 完成后即可制作導出量產文件。

目錄

前 言 . 1
1
電量計介紹.7
1.1
電量計是什么. 7
1.2
電量計能做什么.8
1.3
電量計是如何計量的.10
1.4
電量計怎么選型. 11
2
電量計開發和量產流程. 15
2.1
阻抗跟蹤電量計開發流程.15
2.1.1 阻抗跟蹤電量計開發流程 . 15
2.1.2 從零開始快速讓電量計工作起來 16
2.2
阻抗跟蹤電量計化學 ID 獲取方法 23
2.2.1 電池化學 ID 簡介 .23
2.2.2 電池化學 ID 定制方法 23
2.2.3 電池化學 ID 匹配方法 25
2.3
阻抗跟蹤電量計 Golden Learning 方法 . 32
2.3.1 電量計 Golden Learning 目的 32
2.3.2 電量計 Golden Learning 指標 32
2.3.3 電量計 Golden Learning 流程 34
2.3.4 電量計量產文件 .35
2.3.5 電量計 Golden Learning 易錯分析 .38
2.4
阻抗跟蹤電量計量產流程.40
2.4.1 阻抗跟蹤電量計量產流程概述 40
2.4.2 阻抗跟蹤電量計量產流程分步詳述.40
2.5
CEDV 電量計開發和量產流程. 44
2.5.1 CEDV 電量計開發流程 44
2.5.2 CEDV 電量計量產流程 50
2.6
常用電量計工具介紹.51
2.6.1 EV2400/EV2300 介紹51
2.6.2 BQSTUDIO 教程51

2.6.3 GPC 介紹 60
3
電量計算法 64
3.1
阻抗跟蹤電量計算法原理 64
3.1.1 電量計算法基礎 64
3.1.2 計算 Qmax 67
3.1.3 計算阻抗 68
3.1.4 計算 RM 和 FCC . 70
3.1.5 總結.72
3.2
CEDV 電量計算法原理. 73
3.2.1 CEDV 算法 SOC 計算原理. 73
3.2.2 CEDV 算法 FCC 更新機制 . 74
3.2.3 CEDV 算法計算模型及參數 . 76
3.2.4 CEDV 算法與阻抗跟蹤算法比較 78
3.2.5 總結.79
3.3
如何評估電量計精度. 80
3.3.1 電量精度概念 80
3.3.2 RSOC 精度評估方法. 81
3.3.3 電量精度測試示例. 83
3.3.4 總結.86
3.4
電量計 RSOC 更新機制及跳變場景分析. 87
3.4.1 電量計 RSOC 更新機制 . 87
3.4.2 Shutdown Wakeup 前后 RSOC 不等場景分析 . 89
3.4.3 低溫放電 RSOC 跳變場景分析. 90
3.4.4 總結.93
3.5
電量計 FCC 更新機制及 FCC 偏小問題分析 . 94
3.5.1 FCC 影響因子. 94
3.5.2 FCC 更新機制. 94
3.5.3 FCC 偏小問題分析方法 98
3.5.4 FCC 偏小問題優化方法 101
3.5.5 總結. 102
4
電量計電路設計. 104
4.1
電量計外圍電路設計. 104
4.1.1 電量計外圍電路框架 104
4.1.2 電量計供電和采樣電路 105
4.1.3 電量計對外交互電路 110
4.1.4 電池保護電路 112
4.1.5 均衡電路 115
4.1.6 總結. 117
4.2
電量計 PCB Layout 指南 . 118
4.2.1 與 ESD 相關的 PCB layout 注意事項 . 118

4.2.2 與性能相關的 PCB layout 注意事項 . 122
4.2.3 總結125
4.3
電量計外圍元器件失效影響分析 126
4.3.1 電量計供電電路元器件失效影響 126
4.3.2 電量計采樣電路元器件失效影響 128
4.3.3 電量計通信電路元器件失效影響 130
4.3.4 電量計保護電路元器件失效影響 130
4.3.5 總結131
4.4
電池均衡算法及電路實現. 132
4.4.1 電池不均衡原因及其影響 . 132
4.4.2 電池均衡算法 132
4.4.3 電池均衡實現方式 134
4.4.4 電量計均衡參數配置 138
4.4.5 總結139
4.5
電池假電流原因分析及解決辦法 140
4.5.1 電量計電流采樣機理 140
4.5.2 電量計假電流的影響 141
4.5.3 電量計假電流原因分析 141
4.5.4 電量計假電流解決辦法 142
4.5.5 電量計假電流案例分析 145
4.5.6 總結146
5
電量計訪問及通信.147
5.1
電量計安全模式及訪問控制. 147
5.1.1 電量計三層安全模式訪問控制 147
5.1.2 三層安全模式之間切換方法 .148
5.1.3 如何讀取安全密碼 149
5.1.4 如何修改安全密碼 150
5.2
電量計通信及參數讀寫方法. 152
5.2.1 電量計通信協議 .152
5.2.2 電量計指令使用方法 154
5.2.3 電量計參數讀寫方法 155
5.2.4 電量計驅動 . 161
5.2.5 總結162
5.3
電量計通訊異常分析方法. 163
5.3.1 硬件異常導致不能通訊 163
5.3.2 FW 異常導致不能通訊 . 165
5.3.3 I2C 配置導致通訊異常 . 167
5.3.4 總結168
5.4
電量計 Checksum/Signature 介紹 170
5.4.1 各個 Checksum/Signature 的校驗范圍 170
5.4.2 如何使用 Checksum/Signature 功能 172

5.4.3 一些特殊 Checksum 的介紹.175
5.4.4 總結175
6
典型應用設計要點.176
6.1
智能手機低功耗場景下的電量計設計要點176
6.1.1 智能手機低功耗應用場景及其功耗. 176
6.1.2 手機開機黑屏待機場景下電量計設計要點 . 177
6.1.3 手機關機場景下電量計設計要點 179
6.1.4 總結180
6.2
電量計在過放和過充場景下的考慮181
6.2.1 BQ27546-G1 在過放場景下的考慮 181
6.2.2 BQ27546-G1 在過充場景下的考慮 182
6.2.3 實際測試數據 183
6.2.4 總結185
6.3
快充智能手機的電量計設計要點 187
6.3.1 快充智能手機對滿充判斷的挑戰 187
6.3.2 TI 電量計的解決方案189
6.3.3 總結191
6.4
小容量電池的電量計設計要點192
6.4.1 小容量電池應用特點及挑戰 .192
6.4.2 小容量電池應用的電量計參數配置要點.192
6.4.3 電量計參數配置測試與測試結果 194
6.4.4 總結196
6.5
大容量和高倍率電池的電量計設計要點 197
6.5.1 大容量和高倍率電池應用特點和挑戰 . 197
6.5.2 容量及電流參數比例縮小 . 198
6.5.3 高倍率電池仿真參數優化 . 202
6.5.4 降壓應用 Golden Learning 注意事項 203
6.5.5 總結204