一、鋰離子電池簡介

1.1 SOC（充電狀態）

SOC 定義為電池中可用能量的狀態，通常以百分比表示。因為可用能量變化取決于不同的充電/放電電流、溫度和老化效應，所以 SOC 可以更明確地定義為 ASOC（絕對充電狀態）和 RSOC（相對充電狀態）。通常，RSOC 的范圍是從 0% 到 100%，完全充電的電池的 RSOC 始終為 100%，完全放電的電池的 RSOC 為 0%。ASOC 是由設計容量計算的參考值，設計容量是電池制造時的固定容量。充滿電的新電池將具有 100% 的 ASOC，但由于充電/放電條件不同，充滿電的老化電池可能低于 100%。

下圖是不同 C 速率下電壓與容量的示例。較高的 C-rate 負載將具有較低的輸出容量。較低的溫度導致較低的輸出容量。

圖 1. 不同 C 速率和溫度下的電壓與容量

1.2 最大充電電壓

最大充電電壓由電池的化學成分和特性決定。通常，鋰離子電池的充電電壓為 4.2V 和 4.35V。如果陽極/陰極材料發生變化，情況可能會有所不同

1.3 充滿電

當電池電壓與充電電壓之差在100mV以內且充電電流小于C/10時，則認為電池已充滿。條件可能會根據不同的電池特性而變化

下圖為典型鋰電池的充電曲線。當電池電壓等于 Max Charge Voltage 且充電電流小于 C/10 時，則認為電池已充滿電。

圖 2 典型鋰電池的充電曲線

1.4 迷你放電電壓

迷你放電電壓也可以定義為終端電壓。通常，Mini Discharge Voltage 表示 SOC 等于 0% 的電壓。電壓不固定，將根據不同負載、溫度、老化影響或用戶要求進行充電。

1.5 完全放電

當電池電壓等于或小于最小放電電壓時，電池被認為是完全放電的。

1.6 C 率

C-Rate 是充電/放電電流的表達式，用電池容量標準化。例如，1C放電時，理想的電池在1小時內完全放電。可用容量隨不同的 C 速率而變化。通常，C-rate 越大，可用容量越小。

1.7 循環計數

循環計數是電池在老化過程中經歷了多少次充電/放電循環的參考數字。由放電容量和設計容量估算。當累積放電容量等于設計容量時，循環計數增加。通常，500 次循環后，充滿電的容量會降低 10%~20%。

圖 3. 循環時的完全充電容量

1.8 自放電

所有電池化學物質的自放電在較高溫度下都會增加。自放電基本上不是制造缺陷，而是電池特性。然而，不良的生產實踐和不當的處理可能會增加這種影響。自放電率通常每升高 10°C 就會翻倍。鋰離子電池每月有 1~2% 的自放電，鎳基電池每月有 10~15%。

圖 4. 不同溫度下的容量保持率

二、電量計介紹

2.1 電量計功能介紹

電池管理是功率測量的一部分。電量計在電池管理領域負責估計電池的容量。電量計的基本功能是監測電壓、充放電電流和電池溫度，估計電池的SOC和電池的滿充電容量（FCC）。有兩種經典的方法可以進行 SOC 估計，分別是開路電壓 （OCV） 和庫侖計數器。另一種方法是RICHTEK設計的基于動態電壓的算法。

2.2 開路電壓

電量計的開路電壓算法很容易實現，通過將開路電壓映射到SOC查找表，并使用幾個點來擬合OCV曲線。開路電壓的一般定義是電池松弛大約 30 分鐘以上。

電池電壓曲線會根據負載、溫度、年齡等不同而變化，因此靜態的OCV表并不能代表SOC。SOC 估計不能依賴于查找表。因此，如果僅通過 OCV 估計 SOC 誤差很大。

下圖顯示，電池在充放電狀態下SOC誤差很大，因為IR壓降是由電池阻抗和充放電電流引起的。這意味著通過靜態電壓測量的SOC估計應該使用單獨的充電和放電查找表來完成。

圖 5. 充放電條件下的電池電壓

下圖顯示，在不同負載下的放電條件下，SOC變化仍然很大。因此 OCV 僅適用于 SOC 精度要求較低的系統，例如車輛的鉛酸電池或不間斷電源。

圖 6 放電時不同負載下的電池電壓

2.3 庫侖計數器

庫侖計的工作原理是在電池的充電/放電路徑中連接一個檢測電阻。ADC 測量檢測電阻上的電壓，然后在電池充電或放電時傳輸電流值。實時計數器 （RTC） 為整合電流到庫侖信息提供了時序基礎。

圖 7. 庫侖計基本操作圖

庫侖計數器在充電或放電期間提供準確的短期 SOC 報告精度。可通過充電庫侖計（CCR）和放電庫侖計（DCR）上報剩余容量（RM）和滿充電容量（FCC）信息，通過RM和FCC（SOC-RM/FCC）上報SOC。此外，它還可以提供剩余時間估計，如清空時間 （TTE） 和充滿時間 （TTF）。

圖 8. 庫侖計計算公式

導致庫侖計精度漂移的關鍵因素有兩個。首先是電流檢測和 ADC 測量中失調誤差的累積。盡管當前技術的測量誤差很小，但如果沒有好的方法來消除誤差，那么在此類系統中誤差會隨著時間的推移而增加。下圖顯示，在實際應用中，如果不隨時間觀察校正條件，累積誤差是無限的。

圖 9. 庫侖計數器累積誤差

為了消除累積誤差，可以在正常電池操作中使用三個事件。它們是充電結束 （EOC）、放電結束 （EOD） 和放松。如果達到 EOC 條件，則表示電池已充滿電，SOC 應為 100%。EOC 事件通常由電荷定義，其條件也會影響庫侖計的性能。EOD 條件意味著電池在放電時是空的，那么 SOC 應該是 0%。它可以是絕對電壓電平，也可以是通過負載補償的變量。當電池沒有充電或放電并長時間保持這種狀態時，就達到了松弛狀態。如果用戶想使用松弛條件進行庫侖計誤差校正，OCV 表是必需的。

圖 10. 消除庫侖計累積誤差的條件

引起庫侖計誤差的第二個因素是FCC誤差，它是算法賬戶與電池真實FCC之間的偏差。FCC 會受到溫度、老化、負載等因素的影響。因此，FCC 的重新學習和補償方法也是庫侖計算法的關鍵。下圖顯示了 FCC 被高估和低估時的 SOC 誤差趨勢。

圖 11. 高估和低估時的 FCC 誤差

2.4 基于動態電壓的電量計

基于動態電壓的電量計僅根據電池電壓計算和確定 Li+ 電池 SOC。該算法根據電池電壓和電池OCV之間的差異，通過迭代模型估計SOC的增加或減少。動態伏打信息可以有效地模擬Li+電池的行為并確定SOC（%），但不能估計電池容量（mAh）。

該計算基于電池電壓信息和電池電壓與松弛OCV之間的動態差異，通過使用迭代算法計算增加或減少的SOC來估計SOC。與基于庫侖計的電量計解決方案相比，基于電壓的電量計不會隨時間和電流累積誤差。基于庫侖計的電量計由于電流檢測誤差和電池自放電而存在 SOC 漂移。即使存在非常小的電流感應誤差，庫侖計數器也會不斷累積誤差。只有完全充電或完全放電才能消除累積誤差。

基于電壓的電量計僅通過電壓信息估計電池SOC，不會累積誤差，因為它不依賴電池電流信息。為了提高 SOC 精度，動態電壓算法中的優化增益可以根據具體手機在滿充和滿放電時的實際電壓曲線進行調整。

圖 12. 基于動態電壓的電量計和增益優化

以下是基于動態電壓的算法在不同C-Rate條件下的SOC性能，表明SOC精度良好。C/2、C/4、C/7和C/10的整體SOC誤差小于3%。

圖 13. 不同 C-Rate 條件下基于動態電壓的 SOC 性能

下圖是部分充放電條件下的SOC性能，可以看出SOC誤差還是很小的，最大誤差只有3%左右。

圖 14. 部分充電和放電條件下基于動態電壓的 SOC 性能

它不會隨著時間和電流累積誤差。與庫侖計相比，這是一個優勢，庫侖計會因電流檢測錯誤和電池自放電而導致 SOC 漂移。由于沒有充放電電流信息，基于動態電壓的算法短期精度較差，響應時間較慢。此外，它也無法估計滿充電量。它具有準確的長期準確性，因為電池電壓最終會指示 SOC。

三、 RT9428電量計及測試

3.1 RT9428介紹

RT9428是一款緊湊型主機側電量計 IC，適用于鋰離子 （Li+） 電池供電系統。對于嵌入式 Fuel Gauge 功能，充電狀態 （SOC） 計算基于電池電壓以及電池電壓與松弛 OCV 之間的動態差異來估計增加或減少的 SOC。

RT9428和RT9420功能相同，但封裝類型不同。RT9428采用WL-CSP-8B 1.6x1.52 （BSC） 封裝，RT9420采用 WDFN-8L 2x3 封裝。

RT9420RT9428

圖 15. RT9420和RT9428的封裝和管腳定義

RT9428用于系統側，直接由電池供電。參考下面的典型應用電路，RC 濾波器為 IC 電源和 VBAT 引腳上的電壓測量節省了噪聲。為減少 IR 壓降效應，請使 VBAT 的連接盡可能靠近電池組。當檢測到電量不足時，ALERT 引腳會向系統處理器提供電池電量不足中斷信號。QS 引腳在典型配置中未使用，它需要連接到 GND。

圖 16. RT9428典型應用電路

RT9428采用基于電壓的算法，可以支持平滑的 SOC，并且不隨時間和電流累積誤差。與庫侖計相比，這是一個優勢，庫侖計會因電流檢測誤差和電池自放電而導致 SOC 漂移。下面是基于電壓的算法和庫侖計的比較。

3.2 RT9428溫度補償

根據第 1.1 章，電池特性在不同溫度下會有所不同。在軟件驅動中進行電量計溫度補償之前，我們應該預先確定不同溫度下的電池參數，通常為5/25/45°C。然后，軟件驅動程序定期檢查系統溫度，根據溫度將參數（VGCOMP）寫入RT9428 。請參考下面的偽代碼和框圖。

圖 17. RT9428軟件驅動偽代碼

3.3 測試條件

定義

理想SOC：實際SOC是根據測試完成后的充放電容量和滿容量。理想的SOC只能在測試結束后重新計算，因為真正的放電容量是在放電結束后計算的。

SOC：電量計的 SOC 報告

FCC：測試完成后電流和時間的積分計算滿充電量

SOC Error：報告 SOC 與理想 SOC 之間的差異

使用RT9420 /9428 EVB 在以下測試條件下測試電量計性能：

- 恒流放電/充電測試

- 恒功率放電測試

- 真實手機測試

測試框圖

圖 18. 通過 I 2 C 接口從電量計訪問 SOC 和 VBAT

3.4 恒流放電測試示例

測試以確認電量計可以在不同的負載和溫度條件下提供準確的 SOC 報告。

條件：C/4 & C/7 放電，直到電壓 《 3.3V at 5/25/45°C

圖 19. 恒流放電測試結果

3.5 恒功率放電測試示例

測試以確認電量計可以在不同的負載條件下提供準確的 SOC 報告。

條件：恒定3W、4W和5W放電，直到電壓《3.2V

圖 20 恒功率放電測試結果

3.6 真機測試示例

測試確認電量計可以提供準確的SOC報告與真實的手機系統。

條件：

動態正常放電，直到手機自動關機。

正常充電，直到手機自動停止充電。

圖 21. 手機測試結