針對(duì)單節(jié)電池供電應(yīng)用的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)

1、針對(duì)單節(jié)電池供電應(yīng)用的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)面向的最大難題是如何延伸電池的運(yùn)行時(shí)光。除了尋覓能量密度更高的新式電源外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也在尋覓盡可能高效地利用電池電能的辦法。他們大多將注重力集中在提高dc/dc轉(zhuǎn)換效率上，由此延伸電池運(yùn)行時(shí)光，而往往忽視了與電源轉(zhuǎn)換效率及電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)精確度的問(wèn)題。假如電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的誤差范圍是 ±10%，則為了防止走失關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只能利用 90% 的電池電能。這相當(dāng)于損失了 10% 的電池容量或電池運(yùn)行時(shí)光。無(wú)線(xiàn)接入賬戶(hù)管理、數(shù)據(jù)處理及醫(yī)療監(jiān)控等許多移動(dòng)應(yīng)用對(duì)剩余電池容量測(cè)量精度的要求很高，以避開(kāi)因電池耗盡造成驟然關(guān)機(jī)。然而，保證在電池囫圇

2、生命周期、過(guò)溫狀態(tài)或用法負(fù)載時(shí)的剩余電能的測(cè)量精度很困難，終端用戶(hù)，甚至一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都低估了這一點(diǎn)。主要緣由是電池可用電能與其放電速度、工作溫度、老化程度及自放電特性具有函數(shù)關(guān)系。開(kāi)發(fā)一種算法來(lái)精確定義電池自放電特性及老化程度對(duì)電池容量的影響幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。再者，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)要求對(duì)電池徹低充電和徹低放電以更新電池容量，這在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中很少發(fā)生，因而造成了更大的測(cè)量誤差。所以，在電池運(yùn)行周期內(nèi)很難精確預(yù)測(cè)電池剩余容量及工作時(shí)光。本文將介紹如何利用最新的電池電量測(cè)量技術(shù) 阻抗跟蹤測(cè)量技術(shù)解決上述難題，文中還將列舉單節(jié)鋰離子電池組解決計(jì)劃的容易設(shè)計(jì)案例?，F(xiàn)有電量測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題鋰離子電池

3、容量的下降是電池運(yùn)行時(shí)光縮短的主要緣由，這種誤會(huì)普遍存在。事實(shí)上，電池阻抗持續(xù)增強(qiáng)(而不是電池容量下降)是導(dǎo)致電池運(yùn)行時(shí)光縮短、系統(tǒng)提前關(guān)機(jī)的關(guān)鍵因素。在電池充放電100個(gè)周期左右的時(shí)光內(nèi)，電池容量?jī)H下降5%，而電池的 dc 阻抗上升比例卻達(dá)到一倍或兩倍因子級(jí)別。老化電池阻抗提高的挺直結(jié)果是負(fù)載引起的內(nèi)部壓降增大。結(jié)果，老化電池達(dá)到系統(tǒng)最小工作(或稱(chēng)為終止電壓)的時(shí)光要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于新電池。傳統(tǒng)的電池電量測(cè)量技術(shù)主要是基于電壓和庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法開(kāi)發(fā)的，在測(cè)量性能方面局限性很顯然。因?yàn)槌杀镜颓覍?shí)現(xiàn)容易，基于電壓的測(cè)量辦法廣泛用于手機(jī)等手持設(shè)備,但用法一段時(shí)光后電池阻抗會(huì)發(fā)生變幻，影響該辦法的測(cè)量精度。電池

4、電壓可由下式得出：vbat=vocv-i×rbat其中，vocv為電池開(kāi)路電壓，rbat 為電池內(nèi)部dc 阻抗。從圖 1 可以看出，老化電池的電壓比新電池要低，會(huì)使系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)光提前。圖1 電池周期放電特性負(fù)載狀況及溫度的變幻會(huì)使電池可用容量最多削減 50%。大多數(shù)終端用戶(hù)在用法未裝配真正電量監(jiān)測(cè)計(jì)的便攜式設(shè)備時(shí)，都經(jīng)受過(guò)電池耗盡引起驟然關(guān)機(jī)的狀況。另一方面，庫(kù)侖計(jì)數(shù)法實(shí)行的是另一種辦法：通過(guò)不間斷地舉行庫(kù)侖積分，計(jì)算出消耗的電荷量及充電狀態(tài) (soc)，而所有容量是已知的，因此，可以得到剩余容量值。這種辦法的缺點(diǎn)是難以精確量化(model)自放電電量，而且，因?yàn)樵撧k法不舉行周期性地完

5、整周期校正，導(dǎo)致測(cè)量誤差隨著時(shí)光的推移越來(lái)越大。這些算法都沒(méi)有解決電池阻抗的變幻問(wèn)題。為了防止驟然關(guān)機(jī)，設(shè)計(jì)人員必需提前終止系統(tǒng)運(yùn)行、保留更多能量，這導(dǎo)致大量電能被鋪張。電池阻抗及化學(xué)容量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)阻抗跟蹤(it) 技術(shù)十分獨(dú)特，比現(xiàn)有解決計(jì)劃更為精確，緣由是該技術(shù)具有的自學(xué)習(xí)機(jī)制能解決導(dǎo)致電池阻抗及空載條件下化學(xué)全容量 (qmax) 發(fā)生變幻的老化問(wèn)題。阻抗跟蹤技術(shù)用法動(dòng)態(tài)模擬算法學(xué)習(xí)并跟蹤電池特性，即在電池實(shí)際用法過(guò)程中，先測(cè)量阻抗及容量值，然后跟蹤其變幻。用法該算法則無(wú)需定期舉行完整周期容量校正。利用電池阻抗學(xué)問(wèn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的負(fù)載及溫度補(bǔ)償。最重要的是，通過(guò)對(duì)電池參數(shù)的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)，該測(cè)量

6、法在電池的囫圇用法壽命內(nèi)都能對(duì)電量舉行精確的測(cè)量。與單獨(dú)用法庫(kù)侖計(jì)數(shù)法或電池電壓相關(guān)法相比，阻抗跟蹤技術(shù)在測(cè)量電池剩余容量方面越發(fā)精彩。it 在運(yùn)行過(guò)程中，需要持續(xù)對(duì)保持電池阻抗(rbat)與放電深度 (dod) 和溫度之間函數(shù)關(guān)系的表格數(shù)據(jù)庫(kù)舉行維護(hù)。了解不同狀態(tài)下所發(fā)生的操作有助于確定何時(shí)需要更新或用法這些表格。測(cè)量計(jì)中，非易失存儲(chǔ)器存有多個(gè)定義充電、放電、充電后松弛、放電后松弛等狀態(tài)的電流閾值。停止充電后或停止放電后，“松弛時(shí)光”能夠使電池電壓穩(wěn)定下來(lái)。手持設(shè)備開(kāi)機(jī)前通過(guò)測(cè)量電池開(kāi)路電壓 (ocv)，然后與 ocv(dod,t) 表舉行比較的辦法確定電池精確的充電狀態(tài)。當(dāng)手持設(shè)備處于活動(dòng)

7、狀態(tài)并接入負(fù)載，則開(kāi)頭執(zhí)行基于電流積分的庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法。庫(kù)侖計(jì)數(shù)器測(cè)量通過(guò)的電荷量并舉行積分，從而不間斷地算出 soc 值?？?cè)萘縬max可以通過(guò)當(dāng)電池在充電或放電前后電壓變幻足夠小、處于全松馳狀態(tài)時(shí)的兩個(gè) ocv 讀數(shù)算出。例如，電池放電前，soc 可由下式得出：電池放電且通過(guò)電荷為芉 時(shí)，soc 可由下式得出：兩式相減得出：，其中芉=q1-q2從等式可以看出，無(wú)需經(jīng)受徹低充電及放電的周期即可確定電池總?cè)萘?。這也省去了電池組生產(chǎn)過(guò)程中耗費(fèi)時(shí)光的電池學(xué)習(xí)周期。rbat(dod,t) 表在放電過(guò)程中得到持續(xù)更新。it 利用該表計(jì)算出在當(dāng)前負(fù)載及溫度條件下，何時(shí)達(dá)到終止電壓。電池整體阻抗隨著電池老化

8、和充放電周期的增強(qiáng)而增強(qiáng)。阻抗可由下式得出：rbat(dod,t)=有了電池阻抗信息，利用只讀存儲(chǔ)器中的程序命令包含(in the firmware)的電壓算法就可以確定剩余電量 (rm)。仿真算法先算出當(dāng)前 socstart 值，然后計(jì)算出在負(fù)載電流相同，且 soc 值持續(xù)降低的狀況下將來(lái)的電池電壓值。當(dāng)仿真電池電壓 vbat(soci,t) 達(dá)到電池終止電壓(典型值為 3.0v)時(shí),獵取與此電壓對(duì)應(yīng)的 soc 值并記做 socfinal。剩余電量rm 可由下式得出：rm=(socstart-socfinal)×qmax阻抗跟蹤單節(jié)電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)測(cè)試結(jié)果阻抗跟蹤鋰離子單節(jié)電池組 2

9、 所示。通過(guò) bat2 引腳輸入端測(cè)量電池電壓，通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器差動(dòng)信號(hào)輸入端(srp 及 srn)監(jiān)測(cè)電流。系統(tǒng)利用電量監(jiān)測(cè)計(jì)從單線(xiàn) sdq 通信端口獲得 soc 及運(yùn)行時(shí)光臨近結(jié)束 (run-time-to-empty)等信息。圖2 典型阻抗跟蹤單電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)電路即使在負(fù)載變幻的狀況下，it 電量監(jiān)測(cè)計(jì)也能正確預(yù)測(cè)電池的剩余電量。例如，數(shù)碼相機(jī)處于不同工作模式時(shí)，電池的負(fù)載也不同。圖 3 顯示了it 電量監(jiān)測(cè)計(jì)如何精確預(yù)測(cè)電池剩余電量。剩余電量預(yù)測(cè)的誤差率可小于1%。并且，因?yàn)橛靡灶A(yù)測(cè)剩余電量的電池阻抗及老化作用能夠得到實(shí)時(shí)更新，故在電池囫圇用法壽命內(nèi)均可保持這種極小誤差。圖3 基于真正soc及電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)測(cè)量soc及其精確度結(jié)語(yǔ)阻抗跟蹤電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)綜合了庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)