如何精確預測便攜式設備的電池剩余電量和運行時(shí)間

挑戰

　　在過(guò)去的幾年里，諸如筆記本電腦、手機以及多媒體播放器等便攜式設備的數量顯著(zhù)增長(cháng)。這些具有更多特性與功能的設備要求更高的電量，所以電池必須能夠提供更多的能量以及更長(cháng)的運行時(shí)間。對于電池供電的系統而言，最大的挑戰在于電池的運行時(shí)間。通常，電子系統設計人員通常將注意力集中在提高DC/DC電源轉換效率，以此來(lái)延長(cháng)電池的運行時(shí)間，而往往會(huì )忽略與電源轉換效率和電池容量同等重要的電量監測計 style=color: blue; text-decoration: underline title=電池電量監測計>電池電量監測計的精確度問(wèn)題。如果電池電量監測計的誤差范圍是±10%，那么就會(huì )有相當于10%的電池容量或運行時(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關(guān)系。此外，傳統的電池電量監測計還要求對電池進(jìn)行完全充電和完全放電以更新電池容量，但是這在現實(shí)應用中很少發(fā)生，因而造成了更大的測量誤差。因此，在電池運行周期內很難精確預測電池剩余容量及工作時(shí)間。

　　為了充分利用電池電量，當每節電池達到3.0V的終止電壓時(shí)，用戶(hù)希望能夠在電池的運行周期內對其剩余電量進(jìn)行精確度為±1%的電池電量監測。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(三節鋰離子電池串聯(lián)以及兩節鋰離子電池并聯(lián))的筆記本電腦的電池容量，每節電池的容量為2200mAh。

　　解決方案

　　當前用于電池電量監測的最常見(jiàn)技術(shù)就是庫侖計數算法，或對流入和流出電池的電流進(jìn)行積分的算法。對于剛剛充滿(mǎn)電量的新電池而言，這種方法非常有效。但是，隨著(zhù)電池老化和自放電，這種方法就顯得不那么有效了。沒(méi)有辦法測量自放電速度，因此通常用一個(gè)預定義的自放電速度公式來(lái)對其進(jìn)行校正。這種方法不是很精確，因為電池的自放電速度各不相同，而且一個(gè)模型不能適用于所有的電池。

　　庫侖計數算法的另一個(gè)弊端在于只有在完全充電以后立即進(jìn)行完全放電，才能對電池的總容量進(jìn)行更新，而便攜式設備的用戶(hù)很少對電池進(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)行電池電量監測。這種方法看起來(lái)比較直觀(guān)，但是只有當未對電池接入負載電流時(shí)，電池電壓才與SOC或電池電量具有很高的關(guān)聯(lián)性。這是因為如果接入了一個(gè)負載電流，那么電池內部阻抗兩端就會(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，當電池老化時(shí)，會(huì )出現與阻抗有關(guān)的重大問(wèn)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，該電池對階躍負載變化會(huì )有一個(gè)非常大的時(shí)間常數瞬態(tài)響應。在接入負載以后，電池電壓會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的變化以不同的速度逐漸下降，并在去除負載以后逐漸上升。僅僅在其完成15%的標準的充放電周期(500個(gè))以后，對于全新電池而言，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)的電池電量監測

　　通過(guò)上述敘述可以看出，無(wú)論是庫侖計數算法還是基于電池電壓相關(guān)算法的電池電量監測，要想實(shí)現1%的電池容量估計都是不可能的。因此，TI開(kāi)發(fā)出了一種全新電池電量監測算法——阻抗跟蹤技術(shù)，該技術(shù)綜合了基于庫侖計數算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)。

　　當筆記本電腦處于睡眠或關(guān)機模式時(shí)，其電池及電池組處于沒(méi)有負載的空閑狀態(tài)。這時(shí)在電池開(kāi)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(kāi)始位置。由于所有自放電活動(dòng)都在電池的OCV降低過(guò)程中反應出來(lái)，所以無(wú)需進(jìn)行自放電校正。在便攜式設備開(kāi)啟之前，精確的SOC通常取決于對電池OCV的測量。當設備處于活動(dòng)模式而且接入了負載，便開(kāi)始執行基于電流積分的庫侖計數算法。庫侖計數器測量通過(guò)的電荷量并進(jìn)行積分，從而不間斷地算出SOC值。