采用自適應算法進(jìn)行便攜式電池電量的計量

引言
隨著(zhù)便攜式應用的數量不斷增加，用戶(hù)將要完成更多的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。這時(shí)整個(gè)工作時(shí)間內系統必須持續工作，不能失去數據的完整性。但是對電池來(lái)講，要預計剩余的電量還能維持的系統運行時(shí)間非常困難。本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量信息的重要性。遺憾的是，目前無(wú)法通過(guò)測量數據點(diǎn)甚至電池電壓來(lái)進(jìn)行上述計算。溫度、放電速率以及電池老化等因素都會(huì )影響電荷狀態(tài) (SOC)。本文將集中討論一種剛獲得專(zhuān)利的新技術(shù)，它可幫助設計人員預計電荷狀態(tài)SOC以及鋰電池的剩余電量。

（a）

(b)

圖 1  鋰離子電池在 (a) 完全充電狀態(tài)和 (b) 放電狀態(tài)下施加 1/3C
額定負載后的電壓降以及電壓張弛

圖2 根據基于實(shí)時(shí)更新電池阻抗的電量
監測計算法預測的電壓圖與隨后在典型筆記本電腦負載下測量的實(shí)驗數據的比較。

現有電池電量的監測方法
目前一般采用兩種方法監測電池電量。一種以電流積分為基礎，而另一種以電壓測量為基礎。第一種方法基于的觀(guān)念是：如果將所有電池充電和放電電流積分的話(huà)，那么就能知道還剩下多少電能。如果電池剛剛充電而且已知是充分充電，那么積分電流的做法非常有效。這種方法，對目前大多數電池電量監測都很有效，不過(guò)它也有問(wèn)題，特別是被測電池長(cháng)期不工作時(shí)。如果電池充電后幾天不用，或幾個(gè)充電和放電周期中一直未充分充放電，那么內部化學(xué)反應造成的自放電就會(huì )非常明顯。由于自放電無(wú)法測量，因此必須用預定的方程式對其進(jìn)行校正。由于不同電池模型有著(zhù)不同的自放電速度，而且取決于電池SOC、溫度以及充放電循環(huán)的歷史記錄，自放電的精確建模需要花大量時(shí)間收集數據，而且總是不很精確。此外，只有在完全充電后馬上完全放電，才能更新總電量值。如果電池壽命中完全放電情況不多，那么在電量監測計更新數值前電池的實(shí)際電量可能大幅降低，這就導致對可用電量的過(guò)高估計。即使電量對給定溫度與放電速度進(jìn)行更新，可用電量也會(huì )隨放電速度和溫度而變動(dòng)。
對于第二種方法，只需要測量電池電極間的電壓。它建立在電池電壓與剩余電量之間的已知相互關(guān)系基礎之上，似乎相當直接，但只有在測試過(guò)程中不施加負載的情況下，電池電壓與電量之間才是這種簡(jiǎn)單關(guān)系。當施加負載時(shí)，電池電壓就會(huì )因電池內部阻抗產(chǎn)生的電壓降而發(fā)生失真。

電池化學(xué)反應與相應的
電壓變化
復雜的電子化學(xué)反應會(huì )造成電池瞬態(tài)電壓的響應。電荷必須通過(guò)多層存儲能量的電子化學(xué)活性材料(正負極)傳輸，首先以電子形式到達粒子表面，隨后在電解液中變?yōu)殡x子形式。上述化學(xué)步驟與電池電壓響應的時(shí)間常量相關(guān)。在施加負載后，電壓以不同的速率隨時(shí)間推移逐漸降低，但去掉負載后則逐漸增大。圖1顯示了在不同SOC下向鋰離子電池施加負載時(shí)的電壓張弛 (relaxation)。

造成基于電壓的電量監測
誤差的原因
假定通過(guò)減去IR壓降來(lái)校正帶負載的電壓，隨后用校正電壓獲得當前的SOC。這樣遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是 R 取決于 SOC。如果使用平均值，那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下帶來(lái)的 SOC 估計誤差將高達 100%，此時(shí)的阻抗比完全充電后的狀態(tài)高出 10 倍。解決方案之一就是根據 SOC 在不同負載下使用多維電壓表。阻抗很大程度上取決于溫度，溫度每下降 10℃，它就上升約 1.5倍，這種相互關(guān)系也應加入上述電壓表，然而這就使得計算相當復雜。
電池電壓響應是內在瞬時(shí)的，這是因為有效 R 取決于負載應用的時(shí)間。如果將內部阻抗看作簡(jiǎn)單歐姆電阻而不考慮時(shí)間負載變化情況，那么即使根據電壓表考慮到 R和SOC的相關(guān)性也會(huì )導致巨大的誤差。由于SOC (V)函數斜率取決于SOC，因此瞬時(shí)誤差可從放電狀態(tài)的0.5%直到中等充電狀態(tài)的 14% 不等。
不同電池間的阻抗變化也會(huì )進(jìn)一步使問(wèn)題復雜化。即使新生產(chǎn)的電池也會(huì )存在 +/-15% 的低頻 DC 阻抗變化。這對高負載的電壓校正就會(huì )產(chǎn)生很大的影響。
有關(guān)阻抗問(wèn)題可能在電池老化時(shí)最嚴重。典型的鋰離子電池在70個(gè)使用循環(huán)后DC阻抗翻番，而相同周期的無(wú)負載電量?jì)H下降2~3個(gè)百分點(diǎn)?；陔妷旱乃惴ㄋ坪鯇π码姵亟M很適用，但如果不考慮這一因素，那么在電池組只達到使用壽命的15%(估計約500個(gè)使用循環(huán))時(shí)就會(huì )造成嚴重的誤差(50%)。

使用兩種方法的最佳之處
在開(kāi)發(fā)新一代電量監測計使用的算法時(shí)，TI 考慮到能否將基于電流和基于電壓的兩種方法相結合，在不同的時(shí)候使用相應的方法，這種想法看起來(lái)顯而易見(jiàn)，但至今還沒(méi)人試過(guò)。由于開(kāi)路電壓與 SOC 間存在精確的相關(guān)性，因此不施加負載且電池處于張弛狀態(tài)時(shí)，上述方法可實(shí)現精確的 SOC 估算。由于任何電池供電的設備都有不工作時(shí)期，上述方法使得有機會(huì )利用不工作時(shí)期，找到電荷狀態(tài)的確切起始位置。由于設備接通時(shí)可以知道精確的SOC，因此在不工作時(shí)期就不再需要自放電校正。當設備進(jìn)入工作狀態(tài)且給電池施加負載時(shí)，則采用電流積分。由于庫侖計數(coulomb-counting)從運行之初就跟蹤SOC的變化，因此無(wú)需對負載下的電壓降進(jìn)行復雜而且不精確的補償。
此外，還可用此方法來(lái)更新完全充電的電量。依靠施加負載前的SOC百分比信息、施加負載后的SOC信息(均在張弛狀態(tài)下通過(guò)電壓測量獲得)以及二者之間傳輸的電荷量，設計人員很容易在已知電荷變化的情況下確定對應于SOC改變的總電量。不管傳輸電量多大，不管起始條件如何，都可實(shí)現這一點(diǎn)(不用完全充電)，這就不再需要特殊條件來(lái)更新電量，從而免去了電流積分算法的又一弱點(diǎn)。
以上方法不僅解決了SOC問(wèn)題并完全避免了電池阻抗的影響，而且還可以用來(lái)實(shí)現其它目的?？梢杂迷摲椒ǜ驴傠娏?，對應于最大可能電量等可提取的“無(wú)負載”情況。但這時(shí)非零負載電量會(huì )較小，這是由于IR下降使得端接電壓在有負載時(shí)達到得更早。如果已知SOC的阻抗關(guān)系式以及溫度，則通過(guò)簡(jiǎn)單建模就可確定在該電流負載和溫度下何時(shí)可達到端接電壓。但是，阻抗取決于電池，并會(huì )隨電池老化和使用循環(huán)的增加而迅速增加，將其存儲于數據庫中用處不大。為了解決該問(wèn)題，TI 的 IC 實(shí)現了實(shí)時(shí)阻抗測量，保持數據庫持續更新，這樣就解決了電池間的阻抗差異以及電池老化問(wèn)題。全壽命的阻抗數據更新可非常精確地預測給定負載的電壓變化(見(jiàn)圖 2)。以上方法可以使得在大多數情況下，可用電量估算誤差率低于 1%。最重要的是，在電池組整個(gè)壽命內都實(shí)現了高精確度。

自適應算法的優(yōu)勢
——即插即用的實(shí)施
通過(guò)實(shí)施上述算法就不再需要事先提供數據庫來(lái)描述阻抗與 SOC 和溫度的關(guān)系，不過(guò)仍然需要定義開(kāi)路電壓和 SOC(包括溫度)之間關(guān)系的數據庫。但是，這方面的關(guān)系由正負極系統的化學(xué)性質(zhì)決定，而不是由具體的電池型號設計因素(如電解液、分離器、活性材料厚度等)決定。由于大多數電池制造商使用相同的化學(xué)材料做活性材料(LiCoO2 與石墨)，因此它們的 V(SOC,T) 關(guān)系式也基本相同。TI對不同制造商所提供電池的無(wú)負載電壓圖進(jìn)行了比較，實(shí)驗結果支持上述表述。較大的偏差也只不過(guò) 5mV 而已，這就實(shí)現了在最差情況下 SOC 誤差率也不過(guò) 1.5%。上述新算法將實(shí)現電池監視器 IC的即插即用，同時(shí)還可提高其精確度及可靠性?！?/p>