物联网电池剩余电量计算方法

2017-04-05 12:49:18 2357

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关于本文档

修订记录

文档版本	日期	作者	说明
V1.0	2017-3-4	Pony	第一次发布

1 目的

本文档主要提供朗升物联网电池组组产品剩余电量检测方法供用户参考。

2 范围

本文档仅限朗升科技物联网电池组组参考。

3 通用定义

序号	功能	说明
1	HPC	Hybrid Pulse Capacitor
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4 物联网电池组介绍

随着科技的发展，大家对物联网的认识越来越清晰，最新的物联网产品定义由网络（Network）、能源（Power）、传感器（Sensor）三部分组成。近年来LPWAN领域物联网开始进入大家视野，网络、能源、传感器都在随着LPWAN的发展而不断发展。用户首先选择网络通信方式，例如GSM、4G、WiFi、Lora、NB-IOT、LTE Cat-M等，然后根据网络制式及工作场景选择合适的能源，例如可充电电池、太阳能供电、一次性电池。由于LPWAN的功耗非常低，因此不用充电即可以使用1~10年的一次电池越来越受市场欢迎。

朗升科技研发生产的HPC系列是一种融合了锂离子电池技术与超级电容技术的全新混合型脉冲电容，英文名称：Hybrid Pulse Capacitor。简称HPC 。朗升科技在对HPC实验证明，拥有专利技术的HPC系列理论可达30年的使用寿命。HPC电池系列扩宽了在极端，恶劣环境条件下工作期限。混合型脉冲电容（HPC）系列是专门为能在长期恶劣环境中使用而设计的，在锂离子电池技术与超级电容技术方面均有重大突破。

采用HPC系列并联锂亚硫酰氯电池的电池组是物联网通讯技术方面应用的绝佳供电选择，充分发挥锂亚硫酰氯电池容量密度高及HPC的优势，我们的电池组主要解决以下问题：

Ø 普通可充电锂离子电池的固有缺陷：包括能量密度低，较短的使用寿命，较低的循环寿命(一般1000次左右)，高自放电率：60%（每年），和较窄的温度使用范围(－20°C〜60°C)。在更低或更高的温度下无法正常使用。HPC系列可作为锂离子电池填补在极低温（- 40°C）和极高温（＋85°C）下使用的空白。且循环充放寿命可达5000次。

Ø 传统超级电容电压低，存储容量太小，一次能够承受的脉冲时间太短。HPC系列最高电压能达到4.1V，在容量方面相比于传统超级电容获得极大的提升。呈几何极的提高了脉冲使用时间。HPC系列自放电率极低（达到了一次锂电池自放电的水平级别），这种自放电率是传统的超级电容所不能比拟的。

Ø 锂亚硫酰氯电池（Li/SOCl2）具有高比能量和长贮存寿命的优点。在较宽广的温度范围内核低至中等放电率下放电，具有平坦的放电曲线和优良的性能，能在极高的温度下很好的工作，但电池经高温贮存后继续在低温放电时，则明显出现电压滞后现象。

针对以上问题，我们结合锂亚硫酰氯电池及混合型脉冲电容（HPC）并联的电池组特性如下：

Ø 宽工作温度(- 40°C〜＋85°C，短期存储可达90°C)

Ø 提供大电流脉冲的能力(最高可达5A)

Ø 自放电率低(小于5%/每年)

Ø 超长的生命周期(5000次100%DOD 循环)

Ø 长使用寿命(10年)

Ø 可在极端的温度下充放电(0.1C倍率充放电)

Ø glass-to-metal全密封技术，在极端条件下确保不漏液

5 物联网电池组剩余电量计算方法

朗升科技物联网电池组采用锂亚硫酰氯电池及混合型脉冲电容（HPC）并联方式，并联后电池电压稳定在3.6V~3.65V，只有当电池组电量低于10%之后，电压才会开始下降，直接3.4V容量耗尽后截止放电。传统的锂电池检测电压的方法不适用于恒压电池，针对一次电池的特性，我们提供以下两种电池组剩余电量计算方法：

1) 通过产品放电特性计算剩余电量

2) 采用库仑计方式计算剩余电量

本章主要针对以上两种方法进行详细的说明。

5.1 通过产品放电特性计算剩余电量

物联网产品例如水表、燃气表、定位跟踪、停车、智能锁等应用都是系统长时间待机，间歇性自动上报数据或者触发性进入短时间工作（10S~60S），因此可以通过产品的使用场景及各场景下的电流来计算消耗电流，从而例如以下工时计算剩余电流：

剩余电流=电池容量*（100%-电池自放率）*完全放电能力系数- 消耗电量

5.1.1 电池容量

常见的锂亚硫酰氯电池（Li/SOCl2）有18500（4000mAh）、26500（8500mAh）、34615（19000mAh）等型号。锂亚硫酰氯电池的容量密度比锂电池高4~5倍。

5.1.2 电池自放率

朗升物联网电池通过并联方式，其中一个特性是电池自放率远远低于普通的锂电池，一般锂电池的自放率在10%左右（每年），朗升物联网电池组自放率只有2%左右（每年）。

5.1.3 完全放电能力系数

完全放电能力系数主要取决于产品工作的环境温度。例如锂离子电池在-10°以下完全放电能力可能只有10%~20%，这个参数主要由电池材料决定。

朗升采用了专利电池材料，电池具有业界最高的完全放电能力系数，以下为朗升物联网电池组放电系数如下：

Ø 0~85°： >90%

Ø -20°~0°：>60%

Ø -40°~-20°： >30%

5.1.4 消耗电量

根据物联网产品的应用特性，产品消耗电流主要由待机电流、工作电流组成，一般物联网产品消耗电量计算如下：

消耗电量=待机电流*使用时间+每次工作电流*次数

例如最新的NB-IOT物联网水表的用电情况，智能水表采用MCU+NB-IOT的硬件架构，当智能水表空闲时MCU待机（待机功耗10uA），只有等到需要上传数据时开启NB-IOT网络，其中每次上传数据NB-IOT工作时长约15S，NB-IOT工作电流约150mA，假设智能水表每天上传一次数据，根据消耗电量计算公式，NB-IOT水表一年消耗的电量如下：

消耗电量（每年）=10uA/h*24h*365+150mA*15/3600*365=87.6mAh+228.125mAh=315.725mAh

5.2 通过库仑计计算剩余电量

本节简单介绍库仑计的工作原理，分析了电量计如何针对电池的特性准确报告电量数据。

5.2.1 电量计工作原理

电量计利用外部检流电阻检测电池电流，通过内部ADC将测量结果以电压形式保存在电流寄存器中，然后累计到电流累计寄存器(ACR)中，ACR中保存的结果是以mVh为单位，因此除以检流电阻，还可以计算出电池的绝对剩余电量。

电量计内部带有温度传感器,可测量电池的温度,如果将电池满电量与温度的对应关系写入器件,根据测量的电池温度,就能计算出当前的温度下电池的满电量,电池在不同温度、不同的放电电流情况下所能释放出的电能总量也是不同的，因此，也要将不同电流、不同温度下电池放空后的剩余电量(该部分电量无法释放出来)写入内部寄存器。电池可以以最大允许放电电流范围内的任意值进行放电，如何存储这么多的放电曲线？采用电池供电的系统通常有两种工作模式：正常工作模式和待机模式。因此，只需要将这两种状态下的放电曲线(分别称为有效空电量和待机空电量)保存在内部寄存器中就可以了。