阻抗跟蹤測量技術(shù)在電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

電源管理系統(tǒng)面對的最大難題是如何延長電池的運行時間。除了尋找能量密度更高的新式電源外，系統(tǒng)設(shè)計師也在尋找盡可能高效地利用電池電能的方法。他們大多將注意力集中在提高DC/DC轉(zhuǎn)換效率上，由此延長電池運行時間，而往往忽略了與電源轉(zhuǎn)換效率及電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測計精確度的問題。如果電池電量監(jiān)測計的誤差范圍是 ±10%，則為了防止丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)只能利用 90% 的電池電能。這相當于損失了 10% 的電池容量或電池運行時間。

無線接入賬戶管理、數(shù)據(jù)處理及醫(yī)療監(jiān)控等許多移動應(yīng)用對剩余電池容量測量精度的要求很高，以避免因電池耗盡造成突然關(guān)機。然而，保證在電池整個生命周期、過溫狀態(tài)或使用負載時的剩余電能的測量精度很困難，終端用戶，甚至一些系統(tǒng)設(shè)計師都低估了這一點。主要原因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。開發(fā)一種算法來精確定義電池自放電特性及老化程度對電池容量的影響幾乎是無法實現(xiàn)的。再者，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測計要求對電池完全充電和完全放電以更新電池容量，這在現(xiàn)實應(yīng)用中很少發(fā)生，因而造成了更大的測量誤差。所以，在電池運行周期內(nèi)很難精確預(yù)測電池剩余容量及工作時間。

本文將介紹如何利用最新的電池電量測量技術(shù) —— 阻抗跟蹤測量技術(shù)解決上述難題，文中還將列舉單節(jié)鋰離子電池組解決方案的簡單設(shè)計案例。

現(xiàn)有電量測量技術(shù)存在的問題

鋰離子電池容量的下降是電池運行時間縮短的主要原因，這種誤解普遍存在。實際上，電池阻抗持續(xù)增加（而不是電池容量下降）是導(dǎo)致電池運行時間縮短、系統(tǒng)提前關(guān)機的關(guān)鍵因素。在電池充放電100個周期左右的時間內(nèi)，電池容量僅下降5%，而電池的 DC 阻抗升高比例卻達到一倍或兩倍因子級別。老化電池阻抗提高的直接結(jié)果是負載電流引起的內(nèi)部壓降增大。結(jié)果，老化電池達到系統(tǒng)最小工作電壓（或稱為終止電壓）的時間要遠遠早于新電池。

傳統(tǒng)的電池電量測量技術(shù)主要是基于電壓和庫侖計數(shù)算法開發(fā)的，在測量性能方面局限性很明顯。由于成本低且實現(xiàn)簡單，基于電壓的測量方法廣泛用于手機等手持設(shè)備，但使用一段時間后電池阻抗會發(fā)生變化，影響該方法的測量精度。電池電壓可由下式得出：

VBAT=VOCV-I×RBAT

其中，VOCV為電池開路電壓，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，會使系統(tǒng)關(guān)機時間提前。

圖1 電池周期放電特性

負載情況及溫度的變化會使電池可用容量最多減少 50%。大多數(shù)終端用戶在使用未裝配真正電量監(jiān)測計的便攜式設(shè)備時，都經(jīng)歷過電池耗盡引起突然關(guān)機的情況。另一方面，庫侖計數(shù)法采取的是另一種方法：通過不間斷地進行庫侖積分，計算出消耗的電荷量及充電狀態(tài) （SOC），而全部容量是已知的，因此，可以得到剩余容量值。這種方法的缺點是難以精確量化（model）自放電電量，而且，由于該方法不進行周期性地完整周期校正，導(dǎo)致測量誤差隨著時間的推移越來越大。這些算法都沒有解決電池阻抗的變化問題。為了防止突然關(guān)機，設(shè)計人員必須提前終止系統(tǒng)運行、保留更多能量，這導(dǎo)致大量電能被浪費。

電池阻抗及化學(xué)容量的動態(tài)監(jiān)測

阻抗跟蹤（IT） 技術(shù)非常獨特，比現(xiàn)有解決方案更為精確，原因是該技術(shù)具有的自學(xué)習(xí)機制能解決導(dǎo)致電池阻抗及空載條件下化學(xué)全容量 （QMAX） 發(fā)生變化的老化問題。阻抗跟蹤技術(shù)使用動態(tài)模擬算法學(xué)習(xí)并跟蹤電池特性，即在電池實際使用過程中，先測量阻抗及容量值，然后跟蹤其變化。使用該算法則無需定期進行完整周期容量校正。

利用電池阻抗知識，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的負載及溫度補償。最重要的是，通過對電池參數(shù)的動態(tài)學(xué)習(xí)，該測量法在電池的整個使用壽命內(nèi)都能對電量進行精確的測量。與單獨使用庫侖計數(shù)法或電池電壓相關(guān)法相比，阻抗跟蹤技術(shù)在測量電池剩余容量方面更加出色。

IT 在運行過程中，需要持續(xù)對保持電池阻抗（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)庫進行維護。了解不同狀態(tài)下所發(fā)生的操作有助于確定何時需要更新或使用這些表格。測量計中，非易失存儲器存有多個定義充電、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，“松弛時間”能夠使電池電壓穩(wěn)定下來。

手持設(shè)備開機前通過測量電池開路電壓 （OCV），然后與 OCV（DOD，T） 表進行比較的方法確定電池精確的充電狀態(tài)。當手持設(shè)備處于活動狀態(tài)并接入負載，則開始執(zhí)行基于電流積分的庫侖計數(shù)算法。庫侖計數(shù)器測量通過的電荷量并進行積分，從而不間斷地算出 SOC 值。

總?cè)萘縌MAX可以通過當電池在充電或放電前后電壓變化足夠小、處于全松馳狀態(tài)時的兩個 OCV 讀數(shù)算出。例如，電池放電前，SOC 可由下式得出：

電池放電且通過電荷為芉 時，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，無需經(jīng)歷完全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)過程中耗費時間的電池學(xué)習(xí)周期。

RBAT（DOD，T） 表在放電過程中得到持續(xù)更新。IT 利用該表計算出在當前負載及溫度條件下，何時達到終止電壓。電池整體阻抗隨著電池老化和充放電周期的增加而增加。阻抗可由下式得出：

RBAT（DOD，T）=

有了電池阻抗信息，利用只讀存儲器中的程序指令包含（in the firmware）的電壓仿真算法就可以確定剩余電量 （RM）。仿真算法先算出當前 SOCSTART 值，然后計算出在負載電流相同，且 SOC 值持續(xù)降低的情況下未來的電池電壓值。當仿真電池電壓 VBAT（SOCI，T） 達到電池終止電壓（典型值為 3.0V）時，獲取與此電壓對應(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)測計測試結(jié)果

阻抗跟蹤鋰離子單節(jié)電池組電路如圖 2 所示。通過 BAT2 引腳輸入端測量電池電壓，通過庫侖計數(shù)器差動信號輸入端（SRP 及 SRN）監(jiān)測電流。系統(tǒng)利用電量監(jiān)測計從單線 SDQ 通信端口獲得 SOC 及運行時間接近結(jié)束 （Run-Time-to-Empty）等信息。

圖2 典型阻抗跟蹤單電池電量監(jiān)測計電路

即使在負載變化的情況下，IT 電量監(jiān)測計也能正確預(yù)測電池的剩余電量。例如，數(shù)碼相機處于不同工作模式時，電池的負載也不同。圖 3 顯示了IT 電量監(jiān)測計如何精確預(yù)測電池剩余電量。剩余電量預(yù)測的誤差率可小于1%。并且，由于用以預(yù)測剩余電量的電池阻抗及老化作用能夠得到實時更新，故在電池整個使用壽命內(nèi)均可保持這種微小誤差。

圖3 基于真正SOC及電池電量監(jiān)測計測量SOC及其精確度

結(jié)語

阻抗跟蹤電池電量監(jiān)測計綜合了庫侖計數(shù)算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)點，實現(xiàn)了更高的電池電量監(jiān)測精度。在放松狀態(tài)下測量 OCV 可以獲得準確的 SOC 值。由于所有自放電活動都在電池 OCV 降低過程中反應(yīng)出來，所以無需進行自放電校正。當設(shè)備處于活動模式且接入負載時，開始執(zhí)行基于電流積分的庫侖計數(shù)算法。電池阻抗通過實時測量得到更新。

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