【導(dǎo)讀】對于電池供電的系統(tǒng)而言，最大的挑戰(zhàn)在于電池的運(yùn)行時間，而設(shè)計(jì)人員往往將注意力集中在提高DCDC電源轉(zhuǎn)換效率上，卻忽略與電源轉(zhuǎn)換效率和電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測計(jì)的精確度問題。因此，本次電源設(shè)計(jì)技巧將帶來精確預(yù)測便攜式設(shè)備的剩余電池電量和運(yùn)行時間的設(shè)計(jì)方案。
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在過去的幾年里，諸如筆記本電腦、手機(jī)以及媒體播放器等便攜式設(shè)備的數(shù)量顯著增長。這些具有更多特性與功能的設(shè)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的運(yùn)行時間。對于電池供電的系統(tǒng)而言，最大的挑戰(zhàn)在于電池的運(yùn)行時間。通常，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常將注意力集中在提高 dc-dc 電源轉(zhuǎn)換效率上以此來延長電池的運(yùn)行時間，而往往會忽略與電源轉(zhuǎn)換效率和電池容量同等重要的電池電量監(jiān)測計(jì)的精確度問題。如果電池電量監(jiān)測計(jì)的誤差范圍是 ±10%，那么就會有相當(dāng)于 10% 的電池容量或運(yùn)行時間損失掉。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(shù)關(guān)系。此外，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測計(jì)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(xiàn)實(shí)應(yīng)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(yùn)行周期內(nèi)很難精確預(yù)測電池剩余容量及工作時間。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
為了充分利用電池電量，當(dāng)每節(jié)電池達(dá)到 3.0V 的終止電壓時，用戶希望能夠在電池的運(yùn)行周期內(nèi)對其剩余電量進(jìn)行精確度為 ±1% 的電池電量監(jiān)測。此外，他們還希望去除耗時的充放電周期以更新使用 3S2P 鋰離子電池組（三節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以及兩節(jié)鋰離子電池并聯(lián)）的筆記本型電腦的電池容量，每節(jié)電池的容量為 2200mAh。
解決方案
當(dāng)前用于電池電量監(jiān)測的最常見的技術(shù)就是庫侖計(jì)數(shù)算法或?qū)α魅牒土鞒鲭姵氐碾娏鬟M(jìn)行積分的算法。對于剛剛充滿電量的新電池而言，這種方法非常有效。但是，隨著電池老化和自放電，這種方法就顯得不那么有效了。我們沒有辦法來測量自放電速度。因此通常用一個預(yù)定義的自放電速度公式來對其進(jìn)行校正。這種方法不是很精確，因?yàn)殡姵亻g的自放電速度各不相同，而且一個模型不能適用于所有的電池。
庫侖計(jì)數(shù)算法的另一個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?cè)萘窟M(jìn)行更新，而便攜式設(shè)備用戶很少對電池進(jìn)行完全放電，因此，實(shí)際電量在完成更新之前可能會被大大降低。
第二種方法是利用電池電壓與充電狀態(tài) (SOC) 之間的相互關(guān)系來進(jìn)行電池電量監(jiān)測。這種方法看起來比較直觀，但是只有當(dāng)未對電池接入負(fù)載電流時，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?yàn)槿绻尤肓艘粋€負(fù)載電流，那么電池內(nèi)部阻抗兩端就會有一個壓降。溫度每下降 100℃，電池阻抗就會提高 1.5 倍。此外，當(dāng)電池老化時，會出現(xiàn)與阻抗有關(guān)的重大問題。一個典型的鋰離子電池在完成 100 次充放電周期以后，其 DC 阻抗會增加一倍。最后，該電池對階躍負(fù)載 (step-load) 變化會有一個非常大的時間常數(shù)瞬態(tài)響應(yīng)。在接入負(fù)載以后，電池電壓會隨著時間的變化以不同的速度逐漸下降，并在去除負(fù)載以后逐漸上升。僅僅在其完成15.0%的標(biāo)準(zhǔn)的充放電周期（500 個）以后，對于全新電池而言，基于非常有效的電壓算法就可能會引起高達(dá) 50% 的誤差。
基于阻抗跟蹤TM 技術(shù)的電池電量監(jiān)測
通過上述結(jié)果可以看出，無論是庫侖計(jì)數(shù)算法還是基于電池電壓相關(guān)算法的電池電量監(jiān)測，要想實(shí)現(xiàn) 1% 的電池容量估計(jì)都是不可能的。因此，TI 開發(fā)出了一種全新電池電量監(jiān)測算法——阻抗跟蹤TM 技術(shù)，該技術(shù)綜合了基于庫侖計(jì)數(shù)算法和電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)筆記本型電腦系統(tǒng)處于睡眠或關(guān)機(jī)模式時，其電池及其電池組處于沒有負(fù)載的空閑狀態(tài)。這時在電池開路電壓 (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 確切的開始位置。由于所有自放電活動都在電池的 OCV 降低過程中反應(yīng)出來，所以無需進(jìn)行自放電校正。在便攜式設(shè)備開啟之前，精確的 SOC 通常取決于對電池 OCV 的測量。當(dāng)設(shè)備處于活動模式而且接入了負(fù)載，便開始執(zhí)行基于電流積分的庫侖計(jì)數(shù)算法。庫侖計(jì)數(shù)器測量通過的電荷量并進(jìn)行積分，從而不間斷地算出 SOC 值。
圖1：估計(jì)電池的最高總?cè)萘?Qmax
圖 1 顯示了電池總?cè)萘繙y量的更新。電池總?cè)萘渴峭ㄟ^電池在充放電前后電壓的變化足夠小、處于全空閑狀態(tài)時，在 P1 和 P2 處的兩個 OCV 讀數(shù)計(jì)算得出的。在 P1 處電池完成放電之前，SOC 值可由下式得出：
電池完成放電且通過電荷為 DQ 時，SOC 值可由下式得出：
兩個等式相減，得出：
其中
式中，通過分別在 P1 處和 P2 處測量電池的 OCV，可由電池 OCV 以及 SOC 之間的相關(guān)性得出 SOC1 和 SOC2。從該等式可以看出，無需經(jīng)歷完全的充放電周期即可確定電池總?cè)萘俊?br />
在接入了外部負(fù)載之后，可以通過測量出在負(fù)載條件下的電池電壓差來測量每節(jié)電池的阻抗。壓差除以接入的負(fù)載電流，就可以得出低頻電池阻抗。
圖 2：由基于實(shí)時更新電池阻抗的電量監(jiān)測計(jì) bq20z80 算法預(yù)測的剩余電量與真正剩余電量的比較
此外，當(dāng)采用描述溫度效應(yīng)的模型進(jìn)行測量工作時，阻抗的大小與溫度高低有關(guān)。有了該阻抗信息，我們就可以對終止電壓進(jìn)行預(yù)測，從而可以精確計(jì)算所有負(fù)載或溫度下的剩余電量。有了該電池阻抗信號，我們通過在固件中使用一種電壓仿真方法就可以確定剩余電量。該仿真方法先計(jì)算出當(dāng)前的 SOCstart 值，然后計(jì)算出在負(fù)載電流相同且 SOC 值持續(xù)降低的情況下未來的電池電壓值。當(dāng)仿真電池電壓低于電池終止電壓（典型值為 3.0V/每節(jié)）時，獲取與此電壓對應(yīng)的 SOC 值并記做 SOCfinal。剩余電量 RM 可由下式得出：
圖 2 說明了 bq20z80 如何精確地預(yù)測電池的剩余電量。對剩余電量預(yù)測的誤差不到 1.0%。該誤差率會貫穿于整個電池組的使用壽命。
結(jié)論
基于阻抗跟蹤TM 技術(shù)的電池電量監(jiān)測計(jì)綜合了基于庫侖計(jì)數(shù)算法與基于電壓相關(guān)算法的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了最佳的電池電量監(jiān)測精確度。通過測量空閑狀態(tài)下的 OCV，可以得出精確的 SOC 值。由于所有自放電活動都在電池的 OCV 降低過程中反應(yīng)出來，所以無需進(jìn)行自放電校正。當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行模式為活動模式且接入了負(fù)載，便開始執(zhí)行基于電流積分的庫侖計(jì)數(shù)算法。通過實(shí)時測量實(shí)現(xiàn)對電池阻抗的更新，而且通過阻抗跟蹤技術(shù)我們還可以省去耗時的電池自動記憶周期。因此，在整個電池使用周期內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了 1% 的電池電量監(jiān)測精度。
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