在當(dāng)今的高科技時(shí)代，移動電話、PDA、筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備以及測量儀器等便攜式設(shè)備可謂隨處可見。隨著便攜式應(yīng)用越來越多的向多樣化、專有化、個(gè)性化方面發(fā)展，有一點(diǎn)卻始終未變，那就是所有的便攜式設(shè)備均靠電池供電。

在對系統(tǒng)的剩余運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行預(yù)測的時(shí)候，電池可以說是供電環(huán)節(jié)中最難理解的部分之一。隨著便攜式應(yīng)用數(shù)量的不斷增加，我們需要實(shí)現(xiàn)更多的關(guān)鍵性操作，例如利用移動電話進(jìn)行賬戶管理、便攜式數(shù)據(jù)記錄器必須保留相應(yīng)的功能以應(yīng)對完全工作交接、醫(yī)療設(shè)備必須完整保存需要監(jiān)控的關(guān)鍵數(shù)據(jù)等等。

本文將討論盡可能精確計(jì)算剩余電池電量的重要性。令人遺憾的是，僅通過測量某些數(shù)據(jù)點(diǎn)甚至是電池電壓無法達(dá)到上述目的。溫度、放電速率以及電池老化等眾多因素都會影響充電狀態(tài)。本文將集中討論一種專利技術(shù)，該技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)人員測量鋰電池的充電狀態(tài)以及剩余電量。

現(xiàn)有的電池電量監(jiān)測方法

目前人們主要使用兩種監(jiān)測方法：一種方法以電流積分(current integration)為基礎(chǔ)；而另一種則以電壓測量為基礎(chǔ)。前者依據(jù)一種穩(wěn)健的思想，即如果對所有電池的充、放電流進(jìn)行積分，就可以得出剩余電量的大小。當(dāng)電池剛充好電并且已知是完全充電時(shí)，使用電流積分方法效果非常好。這種方法被成功地運(yùn)用于當(dāng)今眾多的電池電量監(jiān)測過程中。

但是該方法有其自身的弱點(diǎn)，特別是在電池長期不工作的使用模式下。如果電池在充電后幾天都未使用，或者幾個(gè)充、放電周期都沒有充滿電，那么由內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)引起的自放電現(xiàn)象就會變得非常明顯。目前尚無方法可以測量自放電，所以必須使用一個(gè)預(yù)定義的方程式對其進(jìn)行校正。不同的電池模型有不同的自放電速度，這取決于充電狀態(tài)(SOC)、溫度以及電池的充放電循環(huán)歷史等因素。創(chuàng)建自放電的精確模型需要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，即便這樣仍不能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該方法還存在另外一個(gè)問題，那就是只有在完全充電后立即完全放電，才能夠更新總電量值。如果在電池壽命期內(nèi)進(jìn)行完全放電的次數(shù)很少，那么在電量監(jiān)測計(jì)更新實(shí)際電量值以前，電池的真實(shí)容量可能已經(jīng)開始大幅下降。這會導(dǎo)致監(jiān)測計(jì)在這些周期內(nèi)對可用電量做出過高估計(jì)。即使電池電量在給定溫度和放電速度下進(jìn)行了最新的更新，可用電量仍然會隨放電速度以及溫度的改變而發(fā)生變化。

以電壓為基礎(chǔ)的方法屬于最早應(yīng)用的方法之一，它僅需測量電池兩級間的電壓。該方法基于電池電壓和剩余電量之間存在的某種已知關(guān)系。它看似直接，但卻存在難點(diǎn)：在測量期間，只有在不施加任何負(fù)載的情況下，才存在這種電池電壓與電量之間的簡單關(guān)聯(lián)。當(dāng)施加負(fù)載時(shí)(這種情況發(fā)生在用戶對電量感興趣的多數(shù)情況下)，電池電壓就會因?yàn)殡姵貎?nèi)部阻抗所引起的壓降而產(chǎn)生失真。此外，即使去掉了負(fù)載，發(fā)生在電池內(nèi)部的張持過程(relaxation processe)也會在數(shù)小時(shí)內(nèi)造成電壓的連續(xù)變化。由于多種原因的存在，基于電池阻抗知識的壓降校正方法仍存在問題，本文會在稍后討論這些原因。

電池化學(xué)反應(yīng)及電壓響應(yīng)

電池本身復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其瞬態(tài)電壓響應(yīng)。圖1a顯示了從鋰離子電池的電極開始的電荷轉(zhuǎn)移基本步驟(其它電池的步驟與其類似)。

電荷必須首先以電子的形式穿越儲存能量的電化學(xué)活性材料(陽極或陰極)，在到達(dá)粒子表面后以離子的形式存儲于電解液中。這些化學(xué)步驟與電池電壓響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)相關(guān)。圖 1b顯示了電池的阻抗范圍，時(shí)間常數(shù)的范圍從數(shù)毫秒到數(shù)小時(shí)不等。

在時(shí)域中，這意味著施加負(fù)載后，電池電壓將隨時(shí)間的推移以不同速率逐漸降低，并且在去除負(fù)載后逐漸升高。圖2顯示了在不同的充電狀態(tài)下，對鋰離子電池施加負(fù)載后的電壓張弛情況。

考慮到基于電壓的電池電量監(jiān)測會產(chǎn)生誤差，我們假定可以通過減去IR壓降來校正帶負(fù)載的電壓，然后通過使用校正后的電壓值來獲取當(dāng)前的SOC。我們將要遇到的第一個(gè)問題就是：R值取決于SOC。如果使用平均值，那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下(此時(shí)阻抗是充電狀態(tài)下的10倍以上)，對SOC的估測誤差將達(dá)到100%。解決該問題的一個(gè)辦法是根據(jù)SOC在不同負(fù)載下使用多元電壓表。阻抗同樣在很大程度取決于溫度(溫度每降低10°C，阻抗增加1.5倍)，這種相互關(guān)系應(yīng)該添加到表格中，而這也就使得運(yùn)算過程極為復(fù)雜。

電池電壓具有瞬態(tài)響應(yīng)特性，而這意味著有效的R值取決于負(fù)載的加載時(shí)間，顯而易見我們可以將內(nèi)部阻抗簡單視為歐姆電阻而無需考慮時(shí)間因素，因?yàn)榧词闺妷罕碇锌紤]到了R和SOC的相關(guān)性，負(fù)載的變化也將導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。由于SOC(V)函數(shù)的斜率取決于SOC，所以瞬態(tài)誤差的范圍將從放電狀態(tài)下的50%到充電過程中的14%不等。

不同電池間阻抗的變化加大了情況的復(fù)雜性。即使是新生產(chǎn)的電池也會存在±15%的低頻DC阻抗變化，這在高負(fù)載的電壓校正中造成很大差異。例如，在通常的1/2C充放電電流、2Ah 電池典型DC阻抗約為0.15Ω的情況下，最差時(shí)會在電池間產(chǎn)生45mV的校正電壓差異，而對應(yīng)的SOC估測誤差則達(dá)到了20%。

最后，當(dāng)電池老化時(shí)，一個(gè)與阻抗相關(guān)的最大問題也隨即出現(xiàn)。眾所周知，阻抗的增加要比電池電量的降低顯著得多。典型的鋰離子電池70個(gè)充放電循環(huán)后，DC 阻抗會提高一倍，而相同周期的無負(fù)載電量僅會下降2%～3%?；陔妷旱乃惴ㄋ坪踉谛码姵亟M上很適用，但是如果不考慮上述因素，在電池組只達(dá)到使用壽命的15%時(shí)(預(yù)計(jì)500個(gè)充放電周期)就會產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差(誤差為 50％)。

兩種方法取長補(bǔ)短

TI在下一代電量監(jiān)測算法開發(fā)中選取了電流法和電壓法各自的長處。該公司慎重考慮了這個(gè)看似理所當(dāng)然，但迄今為止尚人涉足的方案：將電流法和電壓法相結(jié)合，根據(jù)不同情況使用表現(xiàn)最為突出的方法。因?yàn)殚_路電壓與SOC之間存在非常精確的相關(guān)性，所以在無負(fù)載和電源處于張弛狀態(tài)的情況下，這種方法可以實(shí)現(xiàn)精確的SOC估算。此外，該方法也使得有機(jī)會利用不工作期(任何靠電池供電的設(shè)備都會有不工作期)來尋找SOC確切的“起始位置”。由于設(shè)備接通時(shí)可以知道精確的SOC，所以該方法免除了在不工作期對自放電校正的需求。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)并且給電池施加負(fù)載時(shí)，則轉(zhuǎn)而使用電流積分法。該方法無需對負(fù)載下的壓降進(jìn)行復(fù)雜且不精確的補(bǔ)償，因?yàn)閹靵鲇?jì)數(shù)(coulomb-counting)從運(yùn)行初始就一直在跟蹤SOC的變化。

這種方法還可以用來對完全充電的電量進(jìn)行更新嗎？答案是肯定的。依靠施加負(fù)載前SOC的百分比信息、施加負(fù)載后的SOC(兩者均在張弛狀態(tài)下通過電壓測量獲得)，以及二者之間傳輸?shù)碾姾闪浚覀兛梢院茌p松地確定在特定充電變化情況下對應(yīng)于SOC改變的總電量。無論傳輸電量多大、起始條件如何(無需完全充電)，這點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)。這樣就無需在特殊條件下更新電量，從而避免了電流積分算法的又一弱點(diǎn)。

該方法不僅解決了SOC問題，從而完全避免了電池阻抗的影響，而且還被用來實(shí)現(xiàn)其他目的。通過該方法可以更新對應(yīng)于“無負(fù)載”條件下的總電量，例如可以被提取的最大可能電量。由于IR 降低，非零負(fù)載下的電量也將降低，并且在有負(fù)載情況下達(dá)到端接電壓值的時(shí)間縮短。如果SOC和溫度的阻抗關(guān)系式已知，那么有可能根據(jù)簡單的建模來確定在觀察到的負(fù)載和溫度下何時(shí)能夠達(dá)到端接電壓。然而，正如前文所提到的，阻抗取決于電池，并且會隨著電池老化以及充放電次數(shù)的增加而快速提高，所以僅將其存儲在數(shù)據(jù)庫中并沒有多大用處。為了解決這個(gè)問題，TI設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)阻抗測量的IC，而實(shí)時(shí)測量則能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的持續(xù)更新。這種就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問題(如圖3所示)。阻抗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新使得在指定負(fù)載下，可以對電壓情況進(jìn)行精確預(yù)測。

在大多數(shù)情況下，使用該方法可以將可用電量的估算誤差率降低到1%以下，而最為重要的是，在電池組的整個(gè)使用壽命內(nèi)都可以達(dá)到高精度。


即插即用是自適應(yīng)算法帶來的另一大優(yōu)點(diǎn)，該算法的實(shí)施不再需要提供描述阻抗與SOC 以及溫度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，因?yàn)檫@一數(shù)據(jù)將通過實(shí)時(shí)測量獲得。用于自放電校正的數(shù)據(jù)庫也不再需要，不過仍需要定義了開路電壓與SOC(包括溫度)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。但是，這方面的關(guān)系由正負(fù)極系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)決定，而不由具體的電池型號設(shè)計(jì)因素（如電解液、分離器、活性材料厚度以及添加劑）決定。由于多數(shù)電池廠商使用相同的活性材料（LiCoO2 以及石墨），因此他們的V(SOC,T)關(guān)系式基本相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持上述結(jié)論。圖4 顯示了不同廠商生產(chǎn)的電池在無負(fù)載狀態(tài)下的電壓比較。

可以看出它們的電壓值很接近，偏差不過5mV，由此可知在最差情況下SOC的誤差也不過1.5%。如果開發(fā)一種新電池，僅需要建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫，而不像現(xiàn)在需要數(shù)百個(gè)用于不同電池型號的數(shù)據(jù)庫。這樣就簡化了電量監(jiān)測計(jì)解決方案在各種終端設(shè)備中的實(shí)施過程，且數(shù)據(jù)庫并不依賴于所使用的電池。即使采用不同類型或不同廠商生產(chǎn)的電池，也沒有必要重新編程。這樣，在實(shí)現(xiàn)電池監(jiān)控IC即插即用的同時(shí)，精確度及可靠性也相應(yīng)提高。

作者：Yevgen Barsukov，Bernd Krafth?fer，德州儀器