挑戰(zhàn)
在過去的幾年里，諸如筆記本電腦,、手機(jī)以及多媒體播放器等便攜式設(shè)備" title="便攜式設(shè)備">便攜式設(shè)備的數(shù)量顯著增長(zhǎng),。這些具有更多特性與功能的設(shè)備要求更高的電量，所以電池必須能夠提供更多的能量以及更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間,。對(duì)于電池供電的系統(tǒng)而言,，最大的挑戰(zhàn)在于電池的運(yùn)行時(shí)間,。通常,，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常將注意力集中在提高DC/DC電源轉(zhuǎn)換效率，以此來延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間,，而往往會(huì)忽略與電源轉(zhuǎn)換效率和電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測(cè)" title="電量監(jiān)測(cè)">電量監(jiān)測(cè)計(jì)的精確度問題,。如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的誤差范圍是±10%,，那么就會(huì)有相當(dāng)于10%的電池容量或運(yùn)行時(shí)間被損失掉。然而,，電池的可用電量與其放電速度,、工作溫度、老化程度以及自放電特性具有函數(shù)關(guān)系,。此外,，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)還要求對(duì)電池進(jìn)行完全充電和完全放電以更新電池容量，但是這在現(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,。因此，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)間,。
為了充分利用電池電量,，當(dāng)每節(jié)電池達(dá)到3.0V的終止電壓時(shí)，用戶希望能夠在電池的運(yùn)行周期內(nèi)對(duì)其剩余電量" title="剩余電量">剩余電量進(jìn)行精確度為±1%的電池電量監(jiān)測(cè),。此外,，他們還希望去除耗時(shí)的充放電周期，以更新使用3S2P鋰離子電池組(三節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以及兩節(jié)鋰離子電池并聯(lián))的筆記本電腦的電池容量,，每節(jié)電池的容量為2200mAh,。
解決方案
當(dāng)前用于電池電量監(jiān)測(cè)的最常見技術(shù)就是庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法，或?qū)α魅牒土鞒鲭姵氐碾娏鬟M(jìn)行積分的算法,。對(duì)于剛剛充滿電量的新電池而言,，這種方法非常有效。但是,，隨著電池老化和自放電,，這種方法就顯得不那么有效了。沒有辦法測(cè)量自放電速度,，因此通常用一個(gè)預(yù)定義的自放電速度公式來對(duì)其進(jìn)行校正,。這種方法不是很精確，因?yàn)殡姵氐淖苑烹娝俣雀鞑幌嗤?，而且一個(gè)模型不能適用于所有的電池,。
庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法的另一個(gè)弊端在于只有在完全充電以后立即進(jìn)行完全放電，才能對(duì)電池的總?cè)萘窟M(jìn)行更新,，而便攜式設(shè)備的用戶很少對(duì)電池進(jìn)行完全放電,，因此，實(shí)際電量在完成更新之前可能會(huì)被大大降低,。
第二種方法是利用電池電壓與充電狀態(tài)(Stafus of charging)之間的相互關(guān)系進(jìn)行電池電量監(jiān)測(cè),。這種方法看起來比較直觀，但是只有當(dāng)未對(duì)電池接入負(fù)載電流時(shí)，電池電壓才與SOC或電池電量具有很高的關(guān)聯(lián)性,。這是因?yàn)槿绻尤肓艘粋€(gè)負(fù)載電流,，那么電池內(nèi)部阻抗兩端就會(huì)有一個(gè)壓降。溫度每下降100℃,，電池阻抗就會(huì)提高1.5倍,。此外，當(dāng)電池老化時(shí),，會(huì)出現(xiàn)與阻抗有關(guān)的重大問題,。一個(gè)典型的鋰離子電池在完成100次充放電周期以后，其直流阻抗會(huì)增加一倍,。最后,，該電池對(duì)階躍負(fù)載變化會(huì)有一個(gè)非常大的時(shí)間常數(shù)瞬態(tài)響應(yīng)。在接入負(fù)載以后,，電池電壓會(huì)隨著時(shí)間的變化以不同的速度逐漸下降,，并在去除負(fù)載以后逐漸上升。僅僅在其完成15%的標(biāo)準(zhǔn)的充放電周期(500個(gè))以后,，對(duì)于全新電池而言,，非常有效的電壓算法就可能會(huì)引起50%的誤差。
基于阻抗跟蹤技術(shù)的電池電量監(jiān)測(cè)
通過上述敘述可以看出,，無論是庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法還是基于電池電壓相關(guān)算法的電池電量監(jiān)測(cè),，要想實(shí)現(xiàn)1%的電池容量估計(jì)都是不可能的。因此,，TI開發(fā)出了一種全新電池電量監(jiān)測(cè)算法——阻抗跟蹤技術(shù),，該技術(shù)綜合了基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)筆記本電腦處于睡眠或關(guān)機(jī)模式時(shí),，其電池及電池組處于沒有負(fù)載的空閑狀態(tài),。這時(shí)在電池開路電壓(OCV)和SOC之間存在非常精確的相關(guān)性，該相關(guān)性給出了SOC確切的開始位置,。由于所有自放電活動(dòng)都在電池的OCV降低過程中反應(yīng)出來,，所以無需進(jìn)行自放電校正。在便攜式設(shè)備開啟之前,，精確的SOC通常取決于對(duì)電池OCV的測(cè)量,。當(dāng)設(shè)備處于活動(dòng)模式而且接入了負(fù)載，便開始執(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)量通過的電荷量并進(jìn)行積分,，從而不間斷地算出SOC值。
圖1顯示了電池總?cè)萘繙y(cè)量的更新,。電池總?cè)萘渴峭ㄟ^電池在充放電前后電壓的變化足夠小,、處于全空閑狀態(tài)時(shí)，在P1和P2處的兩個(gè)OCV讀數(shù)計(jì)算得出的。在P1處電池完成放電之前,，SOC值可由下式得出：
SOC1=Q1/Qmax
電池完成放電且通過電荷為DQ時(shí)，SOC值可由下式得出：
SOC2=Q2/Qmax
兩個(gè)等式相減,，得出：
其中,，△Q=Q1-Q2
式中，通過分別在P1處和P2處測(cè)量電池的OCV,，可由電池OCV以及SOC之間的相關(guān)性得出SOC1和SOC2,。從該等式可以看出，無需經(jīng)歷完全的充放電周期即可確定電池總?cè)萘俊?br />
在接入了外部負(fù)載之后,，可以通過測(cè)量出在負(fù)載條件下的電池電壓差來測(cè)量每節(jié)電池的阻抗,。壓差除以接入的負(fù)載電流，就可以得出低頻電池阻抗,。
此外,，當(dāng)采用描述溫度效應(yīng)的模型進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，阻抗的大小與溫度高低有關(guān),。有了該阻抗信息,，就可以對(duì)終止電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而可以精確計(jì)算所有負(fù)載或溫度下的剩余電量,。有了該電池阻抗信號(hào),，通過在固件中使用一種電壓仿真方法就可以確定剩余電量。該仿真方法先計(jì)算出當(dāng)前的SOCstart值,，然后計(jì)算出在負(fù)載電流相同且SOC值持續(xù)降低的情況下未來的電池電壓值,。當(dāng)仿真電池電壓低于電池終止電壓(典型值為3.0V/每節(jié))時(shí)，獲取與此電壓對(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
圖2說明了由基于實(shí)時(shí)更新電池阻抗的電量監(jiān)測(cè)計(jì)bq20z80如何精確地預(yù)測(cè)電池的剩余電量。對(duì)剩余電量預(yù)測(cè)的誤差不到1%,，該誤差率會(huì)貫穿于整個(gè)電池組的使用壽命,。
結(jié)論
基于阻抗跟蹤技術(shù)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)綜合了基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法與基于電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的電池電量監(jiān)測(cè)精確度,。通過測(cè)量空閑狀態(tài)下的OCV,，可以得出精確的SOC值。由于所有自放電活動(dòng)都在電池的OCV降低過程中反應(yīng)出來,，所以無需進(jìn)行自放電校正,。當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行模式為活動(dòng)模式且接入了負(fù)載，便開始執(zhí)行基于電流積分的庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法,。通過實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電池阻抗的更新,，而且通過阻抗跟蹤技術(shù)還可以省去耗時(shí)的電池自動(dòng)記憶周期。因此，在整個(gè)電池使用周期內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了1%的電池電量監(jiān)測(cè)精度,。