阻抗跟蹤測(cè)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(duì)的最大難題是如何延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。除了尋找能量密度更高的新式電源外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)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(cè)計(jì)精確度的問(wèn)題。如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)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(dāng)于損失了 10% 的電池容量或電池運(yùn)行時(shí)間。

無(wú)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(dòng)應(yīng)用對(duì)剩余電池容量測(cè)量精度的要求很高，以避免因電池耗盡造成突然關(guān)機(jī)。然而，保證在電池整個(gè)生命周期、過(guò)溫狀態(tài)或使用負(fù)載時(shí)的剩余電能的測(cè)量精度很困難，終端用戶，甚至一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都低估了這一點(diǎn)。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(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)電池完全充電和完全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)間。

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)鋰離子電池組解決方案的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)案例。

現(xiàn)有電量測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題

鋰離子電池容量的下降是電池運(yùn)行時(shí)間縮短的主要原因，這種誤解普遍存在。實(shí)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(yùn)行時(shí)間縮短、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)間內(nèi)，電池容量?jī)H下降5%，而電池的 DC 阻抗升高比例卻達(dá)到一倍或兩倍因子級(jí)別。老化電池阻抗提高的直接結(jié)果是負(fù)載電流引起的內(nèi)部壓降增大。結(jié)果，老化電池達(dá)到系統(tǒng)最小工作電壓（或稱為終止電壓）的時(shí)間要遠(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)算法開發(fā)的，在測(cè)量性能方面局限性很明顯。由于成本低且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，基于電壓的測(cè)量方法廣泛用于手機(jī)等手持設(shè)備，但使用一段時(shí)間后電池阻抗會(huì)發(fā)生變化，影響該方法的測(cè)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(huì)使系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)間提前。

圖1 電池周期放電特性

負(fù)載情況及溫度的變化會(huì)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(cè)計(jì)的便攜式設(shè)備時(shí)，都經(jīng)歷過(guò)電池耗盡引起突然關(guān)機(jī)的情況。另一方面，庫(kù)侖計(jì)數(shù)法采取的是另一種方法：通過(guò)不間斷地進(jìn)行庫(kù)侖積分，計(jì)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(diǎn)是難以精確量化（model）自放電電量，而且，由于該方法不進(jìn)行周期性地完整周期校正，導(dǎo)致測(cè)量誤差隨著時(shí)間的推移越來(lái)越大。這些算法都沒有解決電池阻抗的變化問(wèn)題。為了防止突然關(guān)機(jī)，設(shè)計(jì)人員必須提前終止系統(tǒng)運(yùn)行、保留更多能量，這導(dǎo)致大量電能被浪費(fèi)。

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)非常獨(dú)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(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)生變化的老化問(wèn)題。阻抗跟蹤技術(shù)使用動(dòng)態(tài)模擬算法學(xué)習(xí)并跟蹤電池特性，即在電池實(shí)際使用過(guò)程中，先測(cè)量阻抗及容量值，然后跟蹤其變化。使用該算法則無(wú)需定期進(jìn)行完整周期容量校正。

利用電池阻抗知識(shí)，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)量法在電池的整個(gè)使用壽命內(nèi)都能對(duì)電量進(jìn)行精確的測(cè)量。與單獨(dú)使用庫(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更加出色。

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)進(jìn)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)需要更新或使用這些表格。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)間”能夠使電池電壓穩(wěn)定下來(lái)。

手持設(shè)備開機(jī)前通過(guò)測(cè)量電池開路電壓 （OCV），然后與 OCV（DOD，T） 表進(jìn)行比較的方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)狀態(tài)并接入負(fù)載，則開始執(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(guò)的電荷量并進(jìn)行積分，從而不間斷地算出 SOC 值。

總?cè)萘縌MAX可以通過(guò)當(dāng)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(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)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(guò)程中耗費(fèi)時(shí)間的電池學(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(chǔ)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(dāng)前 SOCSTART 值，然后計(jì)算出在負(fù)載電流相同，且 SOC 值持續(xù)降低的情況下未來(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)，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

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)電池組電路如圖 2 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 SDQ 通信端口獲得 SOC 及運(yùn)行時(shí)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(cè)計(jì)電路

即使在負(fù)載變化的情況下，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，由于用以預(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，故在電池整個(gè)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(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)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了更高的電池電量監(jiān)測(cè)精度。在放松狀態(tài)下測(cè)量 OCV 可以獲得準(zhǔn)確的 SOC 值。由于所有自放電活動(dòng)都在電池 OCV 降低過(guò)程中反應(yīng)出來(lái)，所以無(wú)需進(jìn)行自放電校正。當(dāng)設(shè)備處于活動(dòng)模式且接入負(fù)載時(shí)，開始執(zhí)行基于電流積分的庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法。電池阻抗通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量得到更新。

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