為多單元的鋰電池包設(shè)計(jì)電量測(cè)定計(jì)

隨著功能集成和技術(shù)融合趨勢(shì)的繼續(xù)，筆記本電腦、蜂窩電話和媒體播放器等便攜式設(shè)備對(duì)電源有日益增加的要求。鋰電池?這些設(shè)備的主要可充電電源?在滿足便攜式設(shè)備對(duì)電源的要求上面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雖然在新的電源中正尋求時(shí)代的進(jìn)步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)該完全發(fā)掘現(xiàn)有電池技術(shù)的潛力。這不僅僅是對(duì)電池本身施加了更大的壓力，而且要加強(qiáng)采用精確的電池電量測(cè)定(Fuel Gauge)方法，以最大限度地發(fā)揮電池的潛能。

許多移動(dòng)應(yīng)用，如無(wú)線帳號(hào)管理、數(shù)據(jù)處理和醫(yī)療監(jiān)測(cè)，都依賴于精確的剩余電池電量信息，以防止因電池能量耗盡而出現(xiàn)意外關(guān)機(jī)。然而，在遍及電池生命期期間、整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)及各種負(fù)載用法的情況下，許多終端用戶、甚至一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師要提供精確的剩余電池電量信息常常面臨無(wú)法估計(jì)的挑戰(zhàn)。本文介紹如何利用TI公司稱為Impedance Track(阻抗跟蹤)的電量測(cè)定技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，并給出了一個(gè)三串聯(lián)、兩并聯(lián)電池包解決方案的設(shè)計(jì)實(shí)例。

現(xiàn)有電池電量測(cè)定方法存在的問(wèn)題

人們對(duì)鋰電池存在一種誤解，認(rèn)為電池使用時(shí)間的縮短主要是因?yàn)殡姵仉娏康目萁?。與這種習(xí)以為常的思維相反，造成問(wèn)題的不是電量的損失，而是電池阻抗的增加。圖1所示為100個(gè)(充電和放電)循環(huán)之后，電池電量下降到不足5%，與此同時(shí)，電池的內(nèi)部直流阻抗R(Z)卻增加了兩倍。已經(jīng)老化的電池具有較高的阻抗，對(duì)于給定的負(fù)載電流而言，其直接影響是內(nèi)部電壓降更大，結(jié)果，已老化電池比新電池更早地到達(dá)了最小系統(tǒng)工作電壓(或終止電壓)。

圖1：100個(gè)循環(huán)之后電池的化學(xué)容量和阻抗。

傳統(tǒng)的電量測(cè)定技術(shù)主要以測(cè)量電壓和庫(kù)侖計(jì)算算法為基礎(chǔ)，在測(cè)定性能上有明顯的局限性。首先，由于成本低且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以電壓為基礎(chǔ)的方案被廣泛地用于手持設(shè)備中，但是，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)受到電池阻抗變化的影響，動(dòng)態(tài)負(fù)載條件和溫度變化可能致使測(cè)定的誤差高達(dá)50%。其次，庫(kù)侖計(jì)算方案采取一種替代的方法，通過(guò)連續(xù)地對(duì)庫(kù)侖進(jìn)行積分以計(jì)算所消耗的電荷及電荷的狀態(tài)(SOC)。由于預(yù)先掌握滿電量的情況，從而可以獲得剩余電量，這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是難以精確地模擬自放電。由于沒(méi)有周期性的滿循環(huán)校準(zhǔn)，測(cè)定誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。此外，這兩種算法都沒(méi)有解決電池阻抗變化的問(wèn)題。為了避免老化的電池單元造成意外的關(guān)機(jī)，設(shè)計(jì)工程師必須過(guò)早地終止系統(tǒng)的工作。這樣做會(huì)讓新電池浪費(fèi)大量的電能。

圖2：保守的設(shè)計(jì)讓新電池浪費(fèi)較大量的電能/電量。

動(dòng)態(tài)檢測(cè)電池阻抗和化學(xué)容量

與現(xiàn)有的解決方案相比，Impedance Track技術(shù)的獨(dú)特之處在于它更為精確，其自學(xué)習(xí)機(jī)制解決了造成電池阻抗和無(wú)負(fù)載化學(xué)滿容量(QMax)這兩個(gè)變化的老化效應(yīng)。Impedance Track所實(shí)現(xiàn)的一種動(dòng)態(tài)建模算法能夠?qū)W習(xí)在老化條件下的電池特性，并通過(guò)跟蹤電池在實(shí)際使用過(guò)程中的阻抗和容量變化來(lái)掌握溫度或使用的歷史記錄。利用這種算法，就不需要周期性的滿循環(huán)容量校準(zhǔn)。利用所掌握的電池單元阻抗的信息，對(duì)負(fù)載和溫度的補(bǔ)償可以得到精確的建模。

更為重要的是，由于能夠動(dòng)態(tài)地學(xué)習(xí)電池的參數(shù)，在整個(gè)電池的生命期內(nèi)都可以維持電池電量測(cè)定的精確性。利用Impedance Track提供的精確測(cè)定結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就可以從保守的關(guān)機(jī)方案中解放出來(lái)。現(xiàn)在，電池電量將不再被浪費(fèi)。

阻抗跟蹤測(cè)定的工作原理

如圖3所示，Impedance Track電池電量測(cè)定計(jì)IC容許精確地測(cè)量下列主要參數(shù)：

* OCV：當(dāng)電池處于松弛模式時(shí)，電池的開(kāi)路電壓；

* 電池阻抗：僅僅在放電期間測(cè)量；

* PassedCharge: 在電池放電或充電期間對(duì)電荷或庫(kù)侖的積分；

* QMax: 最大的電池化學(xué)容量；

* SOC：在任何時(shí)刻的電荷狀態(tài)，定義為SOC= QD / QMax，其中，QD是由全放電狀態(tài)計(jì)算得到的PassedCharge；

* RM：剩余電量；

* FCC：滿充電容量，從滿充電狀態(tài)到終止電壓所通過(guò)的電荷量；

SOC

對(duì)于特殊的鋰電池化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)镾OC和OCV之間存在緊密的相互關(guān)系，所以，可以從電池的OCV估計(jì)其SOC。當(dāng)電池單元處于松弛模式時(shí)，所測(cè)得的OCV I被定義為電池的狀態(tài)，此時(shí)其電流小于一個(gè)給定的閥值(如10mA)且電池單元的電壓穩(wěn)定。然后，就可以利用預(yù)先定義的OCV-SOC關(guān)系來(lái)確定SOC。這就為后來(lái)的放電或充電周期標(biāo)記了一個(gè)最初的電池狀態(tài)，并且當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗模式時(shí)完成，如關(guān)機(jī)時(shí)。

阻抗

如圖3所示，當(dāng)便攜式設(shè)備處于正常工作時(shí)，負(fù)載電流形成電池的放電曲線并導(dǎo)致開(kāi)路電壓(OCV)特性的背離。當(dāng)負(fù)載被加上時(shí)，有負(fù)載情況下所測(cè)得的電壓與在當(dāng)前充電狀態(tài)(SOC)下對(duì)電池單元化學(xué)性質(zhì)的特定OCV之間存在差異，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓之差，可以測(cè)量每一個(gè)電池單元的阻抗。該電壓差由負(fù)載上施加的電流來(lái)除，可以獲得阻抗R。此外，阻抗與測(cè)量時(shí)的溫度有關(guān)，要把該阻抗代入模型之中以解決溫度效應(yīng)問(wèn)題。

剩余電量(RM)

有了阻抗信息，利用在固件中實(shí)現(xiàn)的電壓仿真，就可以計(jì)算剩余電量(RM)。仿真從現(xiàn)在的SOCFINAL開(kāi)始，并用4%的SOC增量連續(xù)地計(jì)算同一負(fù)載條件下將來(lái)的電壓曲線。一旦獲得將來(lái)的電壓曲線，阻抗跟蹤算法就可以確定與系統(tǒng)終止電壓對(duì)應(yīng)的SOC的數(shù)值-SOCFINAL。然后，利用下列公式就可以計(jì)算剩余電量：

滿充電電量（FCC）

滿充電電量(FCC)的定義是為了描繪在特定負(fù)載條件下滿充電電池的實(shí)際可用電量，可以利用下列公式計(jì)算，其中，QSTART是電池的最初電量：

FCC = QSTART + PassedCharge + RM. QMax

有時(shí)，電池的化學(xué)容量(QMax)需要被更新以解決老化效應(yīng)的問(wèn)題。因?yàn)镼Max的變化率要小得多，所以，這種更新不如阻抗的更新頻繁。該方法就是取充電周期(也可以是放電周期)前后的兩個(gè)OCV值，這兩個(gè)OCV值首先利用OCV-SOC特性被轉(zhuǎn)換為SOC值，然后，由下列方程導(dǎo)出新的QMax：

上述方程可以方便地從SOC的定義中導(dǎo)出。顯然，為了掌握電池的化學(xué)容量，該算法不需要一個(gè)完整的放電周期。然而，只有利用比較高的PassedCharge和精確的SOC數(shù)值，才能確保所計(jì)算的QMax的精確性。

設(shè)計(jì)和配置阻抗跟蹤電池電量測(cè)定計(jì)

阻抗跟蹤技術(shù)減輕了設(shè)計(jì)工程師在學(xué)習(xí)廣泛的電池化學(xué)知識(shí)上所面臨的負(fù)擔(dān)。此外，這種新的測(cè)定技術(shù)不需要對(duì)每一個(gè)(電池)產(chǎn)品包都進(jìn)行一次循環(huán)測(cè)定。只要掌握了針對(duì)特定型號(hào)的典型電池特性，不需要冗長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間，相同的配置就適用于所有的產(chǎn)品包，這要?dú)w功于該算法的學(xué)習(xí)能力。

作為一個(gè)例子，下面給出利用bq20z90設(shè)計(jì)的多電池單元電量測(cè)定計(jì)的解決方案。假設(shè)該應(yīng)用采用三個(gè)串聯(lián)、兩個(gè)并聯(lián)的電池包，每一個(gè)松下CGR18650C電池單元的容量是2200 mAh，快速充電電流是4A，最大放電電流是4A，每一個(gè)單元的終止電壓為3V。在充電和放電兩種情況下，最大容許的溫度都是60°C。該應(yīng)用在大多數(shù)時(shí)間都以不變功率負(fù)載工作。電池包是可拆卸的并且不需要預(yù)充電。如果任何一個(gè)電池單元的電壓高于4.45V，就需要一個(gè)獨(dú)立的、能夠熔斷保險(xiǎn)絲的二次電壓保護(hù)器。

硬件設(shè)計(jì)實(shí)例

該應(yīng)用需要三個(gè)芯片組：a) bq20z90電量測(cè)定IC；b)bq29330模擬前端(AFE) IC；c)激活電壓為4.45V的二次電壓保護(hù)器IC bq29412。圖4顯示了電路的功能方框圖。AFE用2.5V、16mA的低壓差調(diào)整器(LDO)直接為電量測(cè)定計(jì)供電，AFE則從電池電壓或充電電壓獲得電能。AFE的主要功能是調(diào)理用于電量計(jì)中的16位電壓ADC的電池單元的電壓，并提供硬件級(jí)過(guò)流保護(hù)功能。

運(yùn)行測(cè)定和保護(hù)固件的電量測(cè)定計(jì)IC是芯片組的控制器。AFE由電量測(cè)定計(jì)IC配置，從而決定它如何對(duì)處理電量測(cè)定的情形作出反應(yīng)，這些包括決定什么時(shí)候及哪一個(gè)電池單元的電壓信息被提