科普库仑计的原理及应用

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几天给自己的HP笔记本电脑更换电池芯获得成功
电脑电池的续航能力现在基本可以维持在3h-3.5h左右，很是满意
https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=194707&extra=
很多朋友对笔记本电脑电池管理电路表现出浓厚兴趣，今天给大家科普一下这东西究竟是怎么一回事

首先，对于电池提供动力的设备或产品来说，在使用电池的时候，我们最关心的，无非就是电池的续航时间以及电池剩余容量了
小到手机、笔记本电脑，大到电动自行车，新能源电动汽车，肯定要面对一个问题就是：我还有多少电？
因此，电池的容量管理，是一个非常值得研究的问题
在早期，判断电池有/没有电，通常用测量电池电压的方法
电池电压高，OK，那就是有电；电池电压低，那就该充电了
最常见的例子：电动自行车，过去电动自行车车把上都有4-5个小灯
刚充满电的时候，它们都会亮起来，随着骑行的消耗，亮灯的数量逐步减少
到了就剩下一个灯亮的时候，一般就得下来推了

如下：这是2个电压检测型的电池容量表



这种方法好不好呢？事物都有两面性
用这种方法对电池进行检测，电路简单，成本低廉
最简单的电路几个LED+三极管就可以了
精密一点的加个运放，成本算下来，不超过5个大洋
显示也直观，故障率低，生产起来，找个工人一天就能组装一大堆
但是问题也来了，这种方式对电池检测，最大的缺点就是：不精确！！！

为什么不精确？请看下图分析

以下2图，分别为镍氢蓄电池和免维护铅酸蓄电池的放电特性




首先分析镍氢电池，纵坐标为电池端电压，横坐标为电池放电量，
曲线为不同放电倍率时电池端电压和电池放电量的关系
以1C倍率放电为例：放电量由0%到85%时，电池端电压由约1.38V降到了约1.19V
什么意思呢，就是电池放出了自身蓄电量的85%，电池端电压下降了约0.19V
如果10节镍氢电池组一个12V电池组，那很好，电池放出85%的电，电压下降1.9V（10*0.19）
完全可以被检测出来，灭掉4个LED
不过请不要高兴的太早，请继续看镍氢电池放电特性，电池从放电15%开始，到放电85%为止
曲线的变化非常平缓，在这个区间里，电池放出了自身容量的70%，但是端电压变化呢
从约1.28V降到约1.19V，只有0.09V，变化非常微弱
而电池继续放电，从85%开始，电压开始急剧下降，直至放电结束
再看铅酸蓄电池的放电曲线，几乎类似
所以，能够推断出，如果用测量端电压的方式测试电池容量是非常困难的，因为电池放电存在着明显的平台期
应用到现实，应该骑电瓶车的朋友都知道，电瓶车刚满电的时候可以跑很久，一旦电表开始往下掉，很快就没电了
再者，请看2组放电特性曲线，无论是铅酸电池还是镍氢电池，放电倍率越高，电池端电压越低
如果按低倍率放电设计电量表，电池高倍率放电时，尽管电池有电，但电表也可能显示无电
还是以电瓶车为例，有时候刚充满的电池，起步或爬坡的时候，电量表总要往下掉几格。

鉴于电压检测型电量表的种种缺点，于是，另一种电池电量检测的方式被发明了出来
中学学物理的时候，学到一个电量的单位叫做库仑，其定义为当导线流经1安培电流时，1秒中通过该导线的电量是1库仑
因此，对于电池来说，Ah，mAh是为了方便计算而使用的计量单位，折合到原理上，就是库仑，所以，库仑计，测的是直流电流和时间的累积量。
这是2个单位有机的融合，既要测试电流，还要计时。
好了，时间，很好测量，有个计时器就可以了，电流，如何测量呢？最简单的办法就是串联电流表，对于库仑计来说
不会真盯着电流表去看的，大家都是采用在电路中串联一个电阻，通过测量电阻端电压
再根据欧姆定理计算出电流的方法测量。当然，对于一些特别大的电流，也有用互感器或者磁通门测量的。


最简单的库仑计，当属一个灯泡+一个秒表对电池放电那种方式，很多网友粗测电池容量时
先给电池充满电，然后，接个灯泡，用秒表开始计时
比如测出灯泡电流3A，过了5小时电池没电了，于是计算电池容量3A*5h=15Ah
如果你学会了这一步，那么恭喜你，库仑计的基本原理你已经掌握了。
上面所说的方法虽然简单，但是，它并不实用；对于在实验室分析测试蓄电池性能用这个方法固然可行
但是到了实际应用时，却并不可取，因为，绝大多数情况下，电池并不是一直恒流放电
举个栗子：手机待机和通话时电流肯定不一样，电瓶车遇到上坡电流大，跑平路电流小
让你在玩电脑的时候紧盯电流表和计时器，不断在纸上记录电量数值，肯定是不可能的

所以，为了更好对电池进行管理，一系列电池管理用集成电路被发明出来
相当于为电池请了一位管家，他来负责替你随时盯着电流表和计时器，不断进行积分计算，确定流入流出电量

下面是2个带库仑计功能的电池管理单元电路
小的是手机用的，线路板左侧是普通的锂电池保护电路，右侧的是美信的库仑计DS2780和它的20mΩ电流取样电阻
大的是笔记本电脑用的，方案是TI的bq80Z75，带有库仑计，欠压过压保护一体的电池管理集成电路




对于一个电池组来说，库仑计要完成以下工作：
1、你是仓库（电池）管理员
2、负责统计仓库流水（充放电）
3、对出入库数量进行核算（电量）
4、实时掌握库存量（电池容量）
对于一些更高级的电池管理芯片来说，还可能要做如下工作：
1、及时发现满库、空仓并予以制止（过充过放保护）
2、注意库区温度合理
3、注意库存分配，保证库容均衡（每个电池都要照顾）

但是，这又出现一个问题，库仑计只能对流经电量进行检测，它怎么知道电池是否充满或者放空呢？
而我们关注的，是电池剩余容量，而并不是库仑计测得得电量。
比如你有一个水桶，告诉你刚才放出来5L水，请问桶里还剩下多少水？没法回答。
所以聘请仓库管理员的时候，你得向库管介绍仓库相关情况，比如库容多少，有几个库balabalabala
还得告诉库管，最多货能装到哪，最少得留多少库存（最高电压&最低电压）
正常情况下，在产品出厂时，工厂会向电池管理单元中写入电池信息，这是第一步
但写入的信息，只能是理论信息，库仑计必须经过电池充分的充放电才能获知电池的初始容量
这样，结合充放电的电量，我们就可以知道电池的残余容量了

栗子：一个3节串联锂电池组，额定电压11.1V，最高充电电压12.6V，放电截止电压9.0V，额定容量1000mAh
这些信息，先写入电池管理电路，相当于告知库管其工作环境
然后对电池进行深充深放，可能测得实际容量950mAh，于是以此作为初始容量100%
假如电池放出100mAh电量，那么就认为剩余850mAh，换算为百分比为电池剩余89.5%
在实际使用中，限于电池老化，测量误差等等条件，电池实际容量并非一成不变
所以在库仑计的里面还有一个容量调整的算法，会根据电池循环次数，充放电情况调整其实际容量
有些库仑计芯片，还可以通过温度对容量进行实时纠正

为什么笔记本电池更换电池芯后容量需要校准，因为更换电池芯并没有对电池管理电路得数据进行改写
管理电路仍然认为电池容量是旧电池容量，以我的电脑为例，旧电池实际容量约4000mAh，新电池是7500mAh
换新电池后，管理电路还按原来的4000mAh计算容量，电脑以2A放电2小时后，管理电路认为电池已放空
但此时电池内还有一半剩余，强行开机放电，就是为了让管理电路更新内部数据，更早认清电池实际容量

既然库仑计那么好，有没有什么缺点呢？
事物都是一分为二的，有优点，就必然存在缺点
首先，就是成本高，之前那几个led组成的电量表核算成本也就1-2块钱
一个库仑计芯片诸如LTC2941则需要1.5美元，而且，单独一个库仑计芯片是不能自己工作的，还需要配合上位机才行，进一步增加了成本
其次，库仑计需要对电流进行检测，采用电流检测电阻虽然简单，但无形中增加了电池内阻，加大损耗
再者，库仑计要和电池心心相依，不能随意更换电池，否则会造成严重的计量误差。


完，谢谢观赏~

毁灭者e5

赶上直播了？插个楼:lol:

苏州熊猫

苹果手机电池老早就带库仑计了。

相对电量比较准。

asus21

升入浅出的解释，非常好的原创:loveliness:

哈哈牛

谢谢大神指导:praise:

bg6idr

通俗易懂的解释了库仑计的原理作用。喜欢这样的科普知识。

桃源客

我电动车装了铁锂,为了知道有多少电量,以免推车,装了个双向库伦计,很好用.

yuxiao_yn

深入浅出通俗易懂，受教了。
非常感谢！:handshake:

BH3QLK

通俗易懂的解释了库仑计的原理作用。喜欢这样的科普知识！

pk_2010

深入浅出通俗易懂，非常感谢！

kdc252626658

学习了，感谢大神科普！

天天好身体

没用电脑版打赏过 第一次不熟悉界面

yumeitao

苏州熊猫 发表于 2020-9-25 15:32
苹果手机电池老早就带库仑计了。

相对电量比较准。

20年前的爱立信就有，我一直用它的手机，10格电量，能显示当前状态下通话时间和待机时间，早期待机3天的机型可以精确显示待机到1小时通话到分钟，后期省电机型偏差较大，因为实际条件达不到理论条件。而且发现在信号同样满格的条件下，联通待机时间比移动的少很多，所以嘛，信号联通有点差。

咪了个去了

不错的科普贴

金春来

通俗易懂的科普知识，感谢楼主分享！

ft200zh

lszrex

为5M补丁而来

淡淡的六月

学习了，留个脚印

xushu

原理讲解得透彻。

fqazwsx12

很好的讲解，学习，谢谢