精確計算電池剩余電量至關(guān)重要

在當今的高科技時(shí)代，移動(dòng)電話(huà)、PDA、筆記本電腦、醫療設備以及測量?jì)x器等便攜式設備可謂隨處可見(jiàn)。隨著(zhù)便攜式應用越來(lái)越多的向多樣化、專(zhuān)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備均靠電池供電。

在對系統的剩余運行時(shí)間進(jìn)行預測的時(shí)候，電池可以說(shuō)是供電環(huán)節中最難理解的部分之一。隨著(zhù)便攜式應用數量的不斷增加，我們需要實(shí)現更多的關(guān)鍵性操作，例如利用移動(dòng)電話(huà)進(jìn)行賬戶(hù)管理、便攜式數據記錄器必須保留相應的功能以應對完全工作交接、醫療設備必須完整保存需要監控的關(guān)鍵數據等等。

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

現有的電池電量監測方法

目前人們主要使用兩種監測方法：一種方法以電流積分(current integration)為基礎；而另一種則以電壓測量為基礎。前者依據一種穩健的思想，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用于當今眾多的電池電量監測過(guò)程中。

但是該方法有其自身的弱點(diǎn)，特別是在電池長(cháng)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(méi)有充滿(mǎn)電，那么由內部化學(xué)反應引起的自放電現象就會(huì )變得非常明顯。目前尚無(wú)方法可以測量自放電，所以必須使用一個(gè)預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相當長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行數據搜集，即便這樣仍不能保證結果的準確性。

該方法還存在另外一個(gè)問(wèn)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進(jìn)行完全放電的次數很少，那么在電量監測計更新實(shí)際電量值以前，電池的真實(shí)容量可能已經(jīng)開(kāi)始大幅下降。這會(huì )導致監測計在這些周期內對可用電量做出過(guò)高估計。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(huì )隨放電速度以及溫度的改變而發(fā)生變化。

以電壓為基礎的方法屬于最早應用的方法之一，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載的情況下，才存在這種電池電壓與電量之間的簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)。當施加負載時(shí)(這種情況發(fā)生在用戶(hù)對電量感興趣的多數情況下)，電池電壓就會(huì )因為電池內部阻抗所引起的壓降而產(chǎn)生失真。此外，即使去掉了負載，發(fā)生在電池內部的張持過(guò)程(relaxation processe)也會(huì )在數小時(shí)內造成電壓的連續變化。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(wèn)題，本文會(huì )在稍后討論這些原因。

電池化學(xué)反應及電壓響應

電池本身復雜的電化學(xué)反應導致其瞬態(tài)電壓響應。圖1a顯示了從鋰離子電池的電極開(kāi)始的電荷轉移基本步驟(其它電池的步驟與其類(lèi)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(yáng)極或陰極)，在到達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的時(shí)間常數相關(guān)。圖 1b顯示了電池的阻抗范圍，時(shí)間常數的范圍從數毫秒到數小時(shí)不等。

在時(shí)域中，這意味著(zhù)施加負載后，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載后的電壓張弛情況。

考慮到基于電壓的電池電量監測會(huì )產(chǎn)生誤差，我們假定可以通過(guò)減去IR壓降來(lái)校正帶負載的電壓，然后通過(guò)使用校正后的電壓值來(lái)獲取當前的SOC。我們將要遇到的第一個(gè)問(wèn)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的估測誤差將達到100%。解決該問(wèn)題的一個(gè)辦法是根據SOC在不同負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)系應該添加到表格中，而這也就使得運算過(guò)程極為復雜。

電池電壓具有瞬態(tài)響應特性，而這意味著(zhù)有效的R值取決于負載的加載時(shí)間，顯而易見(jiàn)我們可以將內部阻抗簡(jiǎn)單視為歐姆電阻而無(wú)需考慮時(shí)間因素，因為即使電壓表中考慮到了R和SOC的相關(guān)性，負載的變化也將導致嚴重誤差。由于SOC(V)函數的斜率取決于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(guò)程中的14%不等。

不同電池間阻抗的變化加大了情況的復雜性。即使是新生產(chǎn)的電池也會(huì )存在±15%的低頻DC阻抗變化，這在高負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(huì )在電池間產(chǎn)生45mV的校正電壓差異，而對應的SOC估測誤差則達到了20%。

最后，當電池老化時(shí)，一個(gè)與阻抗相關(guān)的最大問(wèn)題也隨即出現。眾所周知，阻抗的增加要比電池電量的降低顯著(zhù)得多。典型的鋰離子電池70個(gè)充放電循環(huán)后，DC 阻抗會(huì )提高一倍，而相同周期的無(wú)負載電量?jì)H會(huì )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，在電池組只達到使用壽命的15%時(shí)(預計500個(gè)充放電周期)就會(huì )產(chǎn)生嚴重的誤差(誤差為 50%)。