前言：

电池电量计应用指导,来源:TI,因PDF有200页，在文尾附有目录；上传提示资源重复，请自行下载，找不到的可私信。

电池充电曲线，红色为电压，蓝色为电流 图2.10 匹配化学 ID 所需要的电压电流曲线

1 电量计介绍

本书第一部分介绍电量计是什么、电量计能做什么、电量计如何计量、TI 电量计怎么选型。

1.1 电量计是什么

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。
电量计英文名称 Gas Gauge, Fuel Gauge, 或简称 Gauge，与传统燃料计、油表等英文名同源。顾名思义，电量计就是监测电池、计量电量。

我们通过一个典型电池包框架可以很好理解电量计是什么、用在哪里。图 1.1 是一个典型电池包框架，电池包内部包含电芯、电量计 IC、保护 IC、充放电 MOSFET、保险丝 FUSE、NTC 等元件。一级保护 IC 控制充、放电 MOSFET，保护动作是可恢复的，即当发生过充、过放、过流、短路等安全事件时就会断开相应的充放电开关，安全事件解除后就会重新恢复闭合开关，电池可以继续使用。一级保护可以在
高边也可以在低边。二级保护控制三端保险丝，保护动作是不可恢复的，即一旦保险丝熔断后电池不能继续使用，又称永久失效(Permanent Failure, PF)。电量计 IC采集电芯电压、电芯温度、电芯电流等信息，通过库仑积分和电池建模等计算电池电量、健康度等信息，通过 I2C/SMBUS/HDQ 等通信端口与外部主机通信。

电量计 IC 与保护 IC 可以分立，也可以集成。图 1.1-(a)用了分立电量计（比如BQ27542-G1, BQ27Z561-R2 等），图.11-(b)用了集成保护功能的电量计（比如BQ27742-G1, BQ28Z610-R1, BQ40Z50-R3 等）。

1.2 电量计能做什么

从图 1.1 可知电量计 IC 紧紧跟随电池、最了解电池，因此电量计除了计量电池剩余电量的基本功能之外，电量计可以做的事情有很多。下面列举一些电量计常用的功能：

电池电压、电流、温度监测

o 为主机系统提供电池电压、电流、温度等信息，便于系统应用决策。
o 准确的电池端电压、电流、温度有利于实现安全、准确的充放电控制和管理。

电池容量预测

o 预测电池剩余容量(Remaining Capacity, 简称 RC 或 RM, mAh 或mWh)、电池满充容量(Full Charge Capapcity, 简称 FCC, mAh 或mWh)、电池剩余容量百分比(State of Charge, 简称 SOC, %)。
o 预测剩余放空时间(Average Time To Empty)、剩余充满时间(Average Time To Full)。
o 有了准确的容量预测，则可以充分利用电池的容量，充得更满、放得更空，从而获得更长的电池续航时间。

电池健康度预测

o 电池健康度(State Of Health, %)，反映电池老化程度，便于系统做电池回收或更换决策。
可用于充电决策，预防电池加速老化或鼓包。

电池安全预警及保护

o 对于集成保护的电量计，电量计可以做非常全面的安全预警及保护。
比如 TI 的 BQ40Z50-R2 电量计集成 20 项可恢复保护、23 项永久失效保护。保护项目涵盖电压方面（过充、过放），电流方面（充电过流、放电过流、短路），温度方面（电芯高温、电芯低温、充放电 MOSFET 高温），电芯内部（电芯内短路），电芯配组方面（电芯断线、电池不均衡），充电方面（充电电压过高、预充超时、快充超时、容量过充），系统方面（通信超时、NTC 断线、充放电MOSFET 失效、FUSE 失效、外部二级保护触发等），以及电量计本身等多方位全功能的安全保护。
o 电池安全保护可简单分为一级和二级。一级保护是控制充放电MOSFET，可恢复的。二级保护是熔断三端 FUSE，不可恢复的，又称永久失效(Permanent Failure, PF)。一级保护可分为多个层次，比如软件采集电流作比较判断过流保护，比较门限值较高、延时较长；硬件比较器比较电流作比较判断过流保护，比较门限值较低、延时较短。

电池 Lifetime & Black Box 记录

o Lifetime 记录电池生命周期里的使用状况，比如电压、温度、电流的最大值、最小值，循环次数，运行时间，满充记录，安全事件等等。
o Black Box 记录电池发生永久失效（Fuse 熔断）那一刻电池的各项参数、状态。
o 此外，电量计还可以储存生产信息、序列号等用户信息，方便追溯。
o 给保修分析提供依据。

实施安全快充管理

o 电量计拥有电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，能够实时根据当前电池状态向主机充电器索取最合适的充电电压、充电电流，能够在安全的条件下实现多种形式充电需求，比如 JEITA、线损补偿、快充、降额充电等等。
o 对于集成保护的电量计，还可以实施充电保护。
o 有了准确的健康度预测、电池安全预警及保护、电池安全充电控制，则可以充分保护电池安全，延长电池寿命（循环次数更多）。

电池认证

o 集成专业的加密认证算法（比如 SHA-1, SHA-256, ECC 等）来标识电池是授权的。只有授权的、安全的电池才能使用或充电。

其它功能
o 提供电池支持的最大电流、最大功率信息，支持 Turbo Mode (DBPT)等。
o 对于集成保护的多串电量计还具有电池均衡功能，比如BQ40Z50/BQ4050 等。
不同电量计可能包含以上功能的某几个甚至全部，比如 BQ40Z50-R2/R3 具有以上全部功能。

电量计是如何计量的

从图 1.1 电池包框架可知，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容量信息。所以电量计的三大核心是：(1)硬件，来实现高精度采样、低功耗运行；(2)算法，来对电池建模；(3)固件，把算法编程实现，计算输出容量信息。
下面介绍几种电量计量算法。

电压查表法

最简单的电量计量算法是电压查表法，利用电池开路电压 OCV 与电量一一对应的原理，只需要采集电池电压，根据预存 OCV 表来查找对应的电量 SOC。
$$SOC=f(OCV)$$
这种方法比较容易实现，常见于对电量精度没有要求、只用几段 LED 粗略指示电量区间等场合。电压查表法的优点是在电池静置无电流、电压充分稳定时比较准确，无需完全放电即可知道当前的容量。缺点是有电流时精度差，尤其是负载波动时可能导致电池容量指示上下跳动。由于电池内阻，有电流时电池两端电压已经不能跟SOC 一一对应；此外，电池有瞬态效应，加载瞬间电池电压非线性变化，移除负载时电池电压非线性恢复，并且放电深度不同其恢复时间不同，电压充分稳定需要很长时间。

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。库仑是电荷量的单位，1 库仑=1 安培·秒，所以可以通过对电池电流积分来计算电量。

$$Q=\int idt$$
$$SOC=\frac{Q_{full}-Q_{passed}}{Q_{full}}$$
库仑计数法的优点是不受电压测量失真（比如电池内阻导致电压失真、瞬态效应导致电压失真、放电曲线平坦区细小电压变化导致电量较大误差）影响；在电池有电流时仍可准确测量。缺点是需要完全充满完全放空来更新总容量，否则有误差累积；只能测量电池进出的电流，无法测量电池自放电电流，因而无法排除自放电的影响。

CEDV 算法

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。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。在本书第三部分详细介绍 CEDV 算法的原理。BQ4050 和 BQ34110 是常用的 CEDV 算法电量计。

Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法

Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法在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。在本书第三部分详细介绍阻抗跟踪算法的原理。BQ40Z50-R2, BQ28Z610, BQ27Z561, BQ27546, BQ27542-G1 等都是常用的阻抗跟踪算法电量计。

DVC 算法

DVC (Dynamic Voltage Correlation)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是采用 DVC 算法的电量计。

2 电量计开发和量产流程

电量计应用首先是在研发阶段制作量产文件，然后在生产阶段把量产文件烧录到电量计。本书第二部分介绍 TI 的阻抗跟踪算法电量计和 CEDV 算法电量计在研发阶段和生产阶段的应用流程、方法和工具。

2.1 阻抗跟踪电量计开发流程

2.1.1 阻抗跟踪电量计开发流程
阻抗跟踪电量计在研发阶段的工作主要是制作量产文件。图 2.1 是阻抗跟踪电量计在研发阶段的开发流程，主要分为六步：
第 1 步：确定电池化学 ID。TI 建立了一个庞大的数据库，为各种型号电池的放电特性制作相应的化学 ID。每个化学 ID 包含了化学容量 Qmax、开路电压曲线 (OCVtable) 、阻抗曲线(R table) 等信息。阻抗跟踪算法电量计基于电池化学 ID 进行容量计算和阻抗更新。在本书第 2.2 章详细介绍化学 ID 获取方法。
第 2 步：制作电量计的电路板。在本书第 4 部分详细介绍电量计电路设计、layout设计方法。
第 3 步：配置电量计参数。TI 电量计开放很多参数，以便于用户根据不同电芯、不同 PACK 组合、不同应用系统需求来设计不同的值。电量计参数的功能和配置方法在各个电量计的技术参考手册(Technical Reference Mannual, TRM) 里详细描述。
第 4 步：校准电压、电流、温度。准确的电池电压、电流、温度是电量计进行电量计算和电池保护的前提。在研发阶段可按本书《从零开始快速让电量计工作起来》章节的校准方法来校准。
第 5 步：Golden Learning 电量计学习。电量计 Golden Learning 就是通过特定的充放电循环 (learning cycle) 来学习、更新电池模型参数。在本书第 2.3 章详细介绍电量计 Golden Learning 方法。
第 6 步：制作量产文件 Golden Image。按照本书第 2.3 章 Golden Learning 方法，Golden Learning 完成后即可制作导出量产文件。

目录

前 言 . 1
1
电量计介绍.7
1.1
电量计是什么. 7
1.2
电量计能做什么.8
1.3
电量计是如何计量的.10
1.4
电量计怎么选型. 11
2
电量计开发和量产流程. 15
2.1
阻抗跟踪电量计开发流程.15
2.1.1 阻抗跟踪电量计开发流程 . 15
2.1.2 从零开始快速让电量计工作起来 16
2.2
阻抗跟踪电量计化学 ID 获取方法 23
2.2.1 电池化学 ID 简介 .23
2.2.2 电池化学 ID 定制方法 23
2.2.3 电池化学 ID 匹配方法 25
2.3
阻抗跟踪电量计 Golden Learning 方法 . 32
2.3.1 电量计 Golden Learning 目的 32
2.3.2 电量计 Golden Learning 指标 32
2.3.3 电量计 Golden Learning 流程 34
2.3.4 电量计量产文件 .35
2.3.5 电量计 Golden Learning 易错分析 .38
2.4
阻抗跟踪电量计量产流程.40
2.4.1 阻抗跟踪电量计量产流程概述 40
2.4.2 阻抗跟踪电量计量产流程分步详述.40
2.5
CEDV 电量计开发和量产流程. 44
2.5.1 CEDV 电量计开发流程 44
2.5.2 CEDV 电量计量产流程 50
2.6
常用电量计工具介绍.51
2.6.1 EV2400/EV2300 介绍51
2.6.2 BQSTUDIO 教程51

2.6.3 GPC 介绍 60
3
电量计算法 64
3.1
阻抗跟踪电量计算法原理 64
3.1.1 电量计算法基础 64
3.1.2 计算 Qmax 67
3.1.3 计算阻抗 68
3.1.4 计算 RM 和 FCC . 70
3.1.5 总结.72
3.2
CEDV 电量计算法原理. 73
3.2.1 CEDV 算法 SOC 计算原理. 73
3.2.2 CEDV 算法 FCC 更新机制 . 74
3.2.3 CEDV 算法计算模型及参数 . 76
3.2.4 CEDV 算法与阻抗跟踪算法比较 78
3.2.5 总结.79
3.3
如何评估电量计精度. 80
3.3.1 电量精度概念 80
3.3.2 RSOC 精度评估方法. 81
3.3.3 电量精度测试示例. 83
3.3.4 总结.86
3.4
电量计 RSOC 更新机制及跳变场景分析. 87
3.4.1 电量计 RSOC 更新机制 . 87
3.4.2 Shutdown Wakeup 前后 RSOC 不等场景分析 . 89
3.4.3 低温放电 RSOC 跳变场景分析. 90
3.4.4 总结.93
3.5
电量计 FCC 更新机制及 FCC 偏小问题分析 . 94
3.5.1 FCC 影响因子. 94
3.5.2 FCC 更新机制. 94
3.5.3 FCC 偏小问题分析方法 98
3.5.4 FCC 偏小问题优化方法 101
3.5.5 总结. 102
4
电量计电路设计. 104
4.1
电量计外围电路设计. 104
4.1.1 电量计外围电路框架 104
4.1.2 电量计供电和采样电路 105
4.1.3 电量计对外交互电路 110
4.1.4 电池保护电路 112
4.1.5 均衡电路 115
4.1.6 总结. 117
4.2
电量计 PCB Layout 指南 . 118
4.2.1 与 ESD 相关的 PCB layout 注意事项 . 118

4.2.2 与性能相关的 PCB layout 注意事项 . 122
4.2.3 总结125
4.3
电量计外围元器件失效影响分析 126
4.3.1 电量计供电电路元器件失效影响 126
4.3.2 电量计采样电路元器件失效影响 128
4.3.3 电量计通信电路元器件失效影响 130
4.3.4 电量计保护电路元器件失效影响 130
4.3.5 总结131
4.4
电池均衡算法及电路实现. 132
4.4.1 电池不均衡原因及其影响 . 132
4.4.2 电池均衡算法 132
4.4.3 电池均衡实现方式 134
4.4.4 电量计均衡参数配置 138
4.4.5 总结139
4.5
电池假电流原因分析及解决办法 140
4.5.1 电量计电流采样机理 140
4.5.2 电量计假电流的影响 141
4.5.3 电量计假电流原因分析 141
4.5.4 电量计假电流解决办法 142
4.5.5 电量计假电流案例分析 145
4.5.6 总结146
5
电量计访问及通信.147
5.1
电量计安全模式及访问控制. 147
5.1.1 电量计三层安全模式访问控制 147
5.1.2 三层安全模式之间切换方法 .148
5.1.3 如何读取安全密码 149
5.1.4 如何修改安全密码 150
5.2
电量计通信及参数读写方法. 152
5.2.1 电量计通信协议 .152
5.2.2 电量计指令使用方法 154
5.2.3 电量计参数读写方法 155
5.2.4 电量计驱动 . 161
5.2.5 总结162
5.3
电量计通讯异常分析方法. 163
5.3.1 硬件异常导致不能通讯 163
5.3.2 FW 异常导致不能通讯 . 165
5.3.3 I2C 配置导致通讯异常 . 167
5.3.4 总结168
5.4
电量计 Checksum/Signature 介绍 170
5.4.1 各个 Checksum/Signature 的校验范围 170
5.4.2 如何使用 Checksum/Signature 功能 172

5.4.3 一些特殊 Checksum 的介绍.175
5.4.4 总结175
6
典型应用设计要点.176
6.1
智能手机低功耗场景下的电量计设计要点176
6.1.1 智能手机低功耗应用场景及其功耗. 176
6.1.2 手机开机黑屏待机场景下电量计设计要点 . 177
6.1.3 手机关机场景下电量计设计要点 179
6.1.4 总结180
6.2
电量计在过放和过充场景下的考虑181
6.2.1 BQ27546-G1 在过放场景下的考虑 181
6.2.2 BQ27546-G1 在过充场景下的考虑 182
6.2.3 实际测试数据 183
6.2.4 总结185
6.3
快充智能手机的电量计设计要点 187
6.3.1 快充智能手机对满充判断的挑战 187
6.3.2 TI 电量计的解决方案189
6.3.3 总结191
6.4
小容量电池的电量计设计要点192
6.4.1 小容量电池应用特点及挑战 .192
6.4.2 小容量电池应用的电量计参数配置要点.192
6.4.3 电量计参数配置测试与测试结果 194
6.4.4 总结196
6.5
大容量和高倍率电池的电量计设计要点 197
6.5.1 大容量和高倍率电池应用特点和挑战 . 197
6.5.2 容量及电流参数比例缩小 . 198
6.5.3 高倍率电池仿真参数优化 . 202
6.5.4 降压应用 Golden Learning 注意事项 203
6.5.5 总结204