如何精確預(yù)測(cè)便攜式設(shè)備的電池剩余電量和運(yùn)行時(shí)間

挑戰(zhàn)

　　在過去的幾年里，諸如筆記本電腦、手機(jī)以及多媒體播放器等便攜式設(shè)備的數(shù)量顯著增長(zhǎng)。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(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)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(shí)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，以此來延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間，而往往會(huì)忽略與電源轉(zhuǎn)換效率和電池容量同等重要的電量監(jiān)測(cè)計(jì) style=color: blue; text-decoration: underline title=電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)>電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的精確度問題。如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的誤差范圍是±10%，那么就會(huì)有相當(dāng)于10%的電池容量或運(yùn)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(shù)關(guān)系。此外，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)還要求對(duì)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(cè)量誤差。因此，在電池運(yùn)行周期內(nèi)很難精確預(yù)測(cè)電池剩余容量及工作時(shí)間。

　　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(shí)，用戶希望能夠在電池的運(yùn)行周期內(nèi)對(duì)其剩余電量進(jìn)行精確度為±1%的電池電量監(jiān)測(cè)。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(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(cè)的最常見技術(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(duì)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。沒有辦法測(cè)量自放電速度，因此通常用一個(gè)預(yù)定義的自放電速度公式來對(duì)其進(jìn)行校正。這種方法不是很精確，因?yàn)殡姵氐淖苑烹娝俣雀鞑幌嗤?，而且一個(gè)模型不能適用于所有的電池。

　　庫侖計(jì)數(shù)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(duì)電池的總?cè)萘窟M(jìn)行更新，而便攜式設(shè)備的用戶很少對(duì)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(jiān)測(cè)。這種方法看起來比較直觀，但是只有當(dāng)未對(duì)電池接入負(fù)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?yàn)槿绻尤肓艘粋€(gè)負(fù)載電流，那么電池內(nèi)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(dāng)電池老化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與阻抗有關(guān)的重大問題。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(duì)階躍負(fù)載變化會(huì)有一個(gè)非常大的時(shí)間常數(shù)瞬態(tài)響應(yīng)。在接入負(fù)載以后，電池電壓會(huì)隨著時(shí)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%的標(biāo)準(zhǔn)的充放電周期(500個(gè))以后，對(duì)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(jiān)測(cè)

　　通過上述敘述可以看出，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(cè)，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(cè)算法——阻抗跟蹤技術(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)筆記本電腦處于睡眠或關(guān)機(jī)模式時(shí)，其電池及電池組處于沒有負(fù)載的空閑狀態(tài)。這時(shí)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(dòng)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(duì)電池OCV的測(cè)量。當(dāng)設(shè)備處于活動(dòng)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(cè)量通過的電荷量并進(jìn)行積分，從而不間斷地算出SOC值。