利用阻抗跟蹤測量技術(shù)延長(cháng)電池運行時(shí)間

如何延長(cháng)電池的運行時(shí)間是電源管理系統面對的最大難題。系統設計師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轉換效率上，由此延長(cháng)電池運行時(shí)間，而往往忽略了與電源轉換效率及電池容量同等重要的電池電量監測計精確度的問(wèn)題。如果電池電量監測計的誤差范圍是±10％，則為了防止丟失關(guān)鍵數據，系統只能利用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(shí)間。

無(wú)線(xiàn)接入賬戶(hù)管理、數據處理及醫療監控等許多移動(dòng)應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(gè)生命周期、過(guò)溫狀態(tài)或使用負載時(shí)的剩余電能的測量精度很困難，終端用戶(hù)，甚至一些系統設計師都低估了這一點(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關(guān)系。開(kāi)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電池容量的影響幾乎是無(wú)法實(shí)現的。再者，傳統的電池電量監測計要求對電池完全充電和完全放電以更新電池容量，這在現實(shí)應用中很少發(fā)生，因而造成了更大的測量誤差。所以，在電池運行周期內很難精確預測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量技術(shù)一一阻抗跟蹤測量技術(shù)解決上述難題，文中還將列舉單節鋰離子電池組解決方案的簡(jiǎn)單設計案例。

現有電量測量技術(shù)存在的問(wèn)題

鋰離子電池容量的下降是電池運行時(shí)間縮短的主要原因，這種誤解普遍存在。實(shí)際上，電池阻抗持續增加(而不是電池容量下降)是導致電池運行時(shí)間縮短、系統提前關(guān)機的關(guān)鍵因素。在電池充放電100個(gè)周期左右的時(shí)間內，電池容量?jì)H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果是負載電流引起的內部壓降增大。結果，老化電池達到系統最小工作電壓(或稱(chēng)為終止電壓)的時(shí)間要遠遠早于新電池。

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

其中，Vocv為電池開(kāi)路電壓，RBAT為電池內部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 )使系統關(guān)機時(shí)間提前。

負載情況及溫度的變化會(huì )使電池可用容量最多減少50％。大多數終端用戶(hù)在使用未裝配真正電量監測計的便攜式設備時(shí)，都經(jīng)歷過(guò)電池耗盡引起突然關(guān)機的情況。另一方面，庫侖計數法采取的是另一種方法：通過(guò)不間斷地進(jìn)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(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，導致測量誤差隨著(zhù)時(shí)間的推移越來(lái)越大。這些算法都沒(méi)有解決電池阻抗的變化問(wèn)題。為了防止突然關(guān)機，設計人員必須提前終止系統運行、保留更多能量，這導致大量電能被浪費。

電池阻抗及化學(xué)容量的動(dòng)態(tài)監測

阻抗跟蹤(IT)技術(shù)非常獨特，比現有解決方案更為精確，原因是該技術(shù)具有的自學(xué)習機制能解決導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)習并跟蹤電池特性，即在電池實(shí)際使用過(guò)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(wú)需定期進(jìn)行完整周期容量校正。

利用電池阻抗知識，能夠實(shí)現精確的負載及溫度補償。最重要的是，通過(guò)對電池參數的動(dòng)態(tài)學(xué)習，該測量法在電池的整個(gè)使用壽命內都能對電量進(jìn)行精確的測量。與單獨使用庫侖計數法或電池電壓相關(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(guò)程中，需要持續對保持電池阻抗(RBAT)與放電深度(DOD)和溫度之間函數關(guān)系的表格數據庫進(jìn)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(shí)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(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"能夠使電池電壓穩定下來(lái)。手持設備開(kāi)機前通過(guò)測量電池開(kāi)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)。當手持設備處于活動(dòng)狀態(tài)并接入負載，則開(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。

總容量QMAX可以通過(guò)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(shí)的兩個(gè)OCV讀數算出。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ΔQ時(shí)，SOC可由下式得出：