為多單元的鋰電池包設(shè)計電量測定計

　　隨著功能集成和技術(shù)融合趨勢的繼續(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)備對電源的要求上面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。雖然在新的電源中正尋求時代的進步，系統(tǒng)設(shè)計工程師還應(yīng)該完全發(fā)掘現(xiàn)有電池技術(shù)的潛力。這不僅僅是對電池本身施加了更大的壓力，而且要加強采用精確的電池電量測定(Fuel Gauge)方法，以最大限度地發(fā)揮電池的潛能。

　　許多移動應(yīng)用，如無線帳號管理、數(shù)據(jù)處理和醫(yī)療監(jiān)測，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。然而，在遍及電池生命期期間、整個工作溫度范圍內(nèi)及各種負載用法的情況下，許多終端用戶、甚至一些系統(tǒng)設(shè)計工程師要提供精確的剩余電池電量信息常常面臨無法估計的挑戰(zhàn)。本文介紹如何利用TI公司稱為Impedance Track(阻抗跟蹤)的電量測定技術(shù)來應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，并給出了一個三串聯(lián)、兩并聯(lián)電池包解決方案的設(shè)計實例。

　　現(xiàn)有電池電量測定方法存在的問題

　　人們對鋰電池存在一種誤解，認為電池使用時間的縮短主要是因為電池電量的枯竭。與這種習(xí)以為常的思維相反，造成問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(充電和放電)循環(huán)之后，電池電量下降到不足5%，與此同時，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，對于給定的負載電流而言，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了最小系統(tǒng)工作電壓(或終止電壓)。

　　圖1：100個循環(huán)之后電池的化學(xué)容量和阻抗。

　　傳統(tǒng)的電量測定技術(shù)主要以測量電壓和庫侖計算算法為基礎(chǔ)，在測定性能上有明顯的局限性。首先，由于成本低且設(shè)計簡單，以電壓為基礎(chǔ)的方案被廣泛地用于手持設(shè)備中，但是，隨著時間的推移，它會受到電池阻抗變化的影響，動態(tài)負載條件和溫度變化可能致使測定的誤差高達50%。其次，庫侖計算方案采取一種替代的方法，通過連續(xù)地對庫侖進行積分以計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，這種方法的一個缺點是難以精確地模擬自放電。由于沒有周期性的滿循環(huán)校準，測定誤差會隨著時間的推移而增加。此外，這兩種算法都沒有解決電池阻抗變化的問題。為了避免老化的電池單元造成意外的關(guān)機，設(shè)計工程師必須過早地終止系統(tǒng)的工作。這樣做會讓新電池浪費大量的電能。

　　圖2：保守的設(shè)計讓新電池浪費較大量的電能/電量。

　　動態(tài)檢測電池阻抗和化學(xué)容量

　　與現(xiàn)有的解決方案相比，Impedance Track技術(shù)的獨特之處在于它更為精確，其自學(xué)習(xí)機制解決了造成電池阻抗和無負載化學(xué)滿容量(QMax)這兩個變化的老化效應(yīng)。Impedance Track所實現(xiàn)的一種動態(tài)建模算法能夠?qū)W習(xí)在老化條件下的電池特性，并通過跟蹤電池在實際使用過程中的阻抗和容量變化來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。利用所掌握的電池單元阻抗的信息，對負載和溫度的補償可以得到精確的建模。

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

　　阻抗跟蹤測定的工作原理

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

　　* OCV：當(dāng)電池處于松弛模式時，電池的開路電壓；

　　* 電池阻抗：僅僅在放電期間測量；

　　* PassedCharge: 在電池放電或充電期間對電荷或庫侖的積分；

　　* QMax: 最大的電池化學(xué)容量；

　　* SOC：在任何時刻的電荷狀態(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)到終止電壓所通過的電荷量；

　　SOC

　　對于特殊的鋰電池化學(xué)性質(zhì)來說，因為SOC和OCV之間存在緊密的相互關(guān)系，所以，可以從電池的OCV估計其SOC。當(dāng)電池單元處于松弛模式時，所測得的OCV I被定義為電池的狀態(tài)，此時其電流小于一個給定的閥值(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)系來確定SOC。這就為后來的放電或充電周期標(biāo)記了一個最初的電池狀態(tài)，并且當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗模式時完成，如關(guān)機時。

　　阻抗

　　如圖3所示，當(dāng)便攜式設(shè)備處于正常工作時，負載電流形成電池的放電曲線并導(dǎo)致開路電壓(OCV)特性的背離。當(dāng)負載被加上時，有負載情況下所測得的電壓與在當(dāng)前充電狀態(tài)(SOC)下對電池單元化學(xué)性質(zhì)的特定OCV之間存在差異，通過測量兩個電壓之差，可以測量每一個電池單元的阻抗。該電壓差由負載上施加的電流來除，可以獲得阻抗R。此外，阻抗與測量時的溫度有關(guān)，要把該阻抗代入模型之中以解決溫度效應(yīng)問題。

　　剩余電量(RM)

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

　　滿充電電量（FCC）

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

　　FCC = QSTART + PassedCharge + RM. QMax

　　有時，電池的化學(xué)容量(QMax)需要被更新以解決老化效應(yīng)的問題。因為QMax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OCV值，這兩個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，才能確保所計算的QMax的精確性。

　　設(shè)計和配置阻抗跟蹤電池電量測定計

　　阻抗跟蹤技術(shù)減輕了設(shè)計工程師在學(xué)習(xí)廣泛的電池化學(xué)知識上所面臨的負擔(dān)。此外，這種新的測定技術(shù)不需要對每一個(電池)產(chǎn)品包都進行一次循環(huán)測定。只要掌握了針對特定型號的典型電池特性，不需要冗長的循環(huán)時間，相同的配置就適用于所有的產(chǎn)品包，這要歸功于該算法的學(xué)習(xí)能力。

　　作為一個例子，下面給出利用bq20z90設(shè)計的多電池單元電量測定計的解決方案。假設(shè)該應(yīng)用采用三個串聯(lián)、兩個并聯(lián)的電池包，每一個松下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)時間都以不變功率負載工作。電池包是可拆卸的并且不需要預(yù)充電。如果任何一個電池單元的電壓高于4.45V，就需要一個獨立的、能夠熔斷保險絲的二次電壓保護器。

　　硬件設(shè)計實例

　　該應(yīng)用需要三個芯片組：a) bq20z90電量測定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)直接為電量測定計供電，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)理用于電量計中的16位電壓ADC的電池單元的電壓，并提供硬件級過流保護功能。

　　運行測定和保護固件的電量測定計IC是芯片組的控制器。AFE由電量測定計IC配置，從而決定它如何對處理電量測定的情形作出反應(yīng)，這些包括決定什么時候及哪一個電池單元的電壓信息被提供給電量測定計IC，以及要采用什么過載、短路閥值及延遲時間值。

　　雖然電量測定計及其相關(guān)的AFE提供過壓保護功能，電壓監(jiān)測的取樣特性限制了這種保護系統(tǒng)的響應(yīng)時間。bq29412提供一種與電量測定計和AFE功能協(xié)力工作的、快速響應(yīng)、實時和獨立的過壓監(jiān)測功能。當(dāng)任何一個電池單元的電壓超過4.45V時，在電容器經(jīng)過編程設(shè)定的延遲之后，bq29412輸出一個觸發(fā)信號以熔斷熔絲。

　　圖4：電量測定計電路功能方框圖。

　　配置電量測定計

　　在配置Impedance Track電量測定計時，首先要確定電池單元的化學(xué)ID，并選擇相應(yīng)的固件文件。用于該設(shè)計的電池單元是松下的CGR18650C，屬于LiCoO2/石墨化碳化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)阻抗跟蹤算法所設(shè)定的慣例，電池單元的化學(xué)性質(zhì)ID被識別為0100。從bq20z90網(wǎng)頁可以下載針對這種化學(xué)性質(zhì)的正確的固件(bq20z90_v110_ID0100_default.senc)。一旦固件被載入芯片，所有類型的電量測定計配置都可以通過定制數(shù)據(jù)閃存來完成。一種完成定制數(shù)據(jù)閃存的傳統(tǒng)方式是利用bqEVSW*價軟件。

　　大量的數(shù)據(jù)閃存常數(shù)被分組為12類，它們支配電量測定計的工作。例如，"1st Level Safety"類保護電池，使之免于出現(xiàn)一些較為嚴重的電壓、電流和溫度條件，觸發(fā)這些保護功能僅僅要臨時關(guān)閉充電或放電功能；然后，當(dāng)這些條件消失時，電池包可以恢復(fù)。在應(yīng)用中容許的充電和放電的最大溫度為60°C，在該類中可對最大溫度進行配置。為了避免冗長的配置，圖5列出了在每一種類中可以被配置的大多數(shù)應(yīng)用和操作。

　　圖5：電池數(shù)據(jù)閃存類的配置。

　　可選的功能可以在具有三個配置寄存器A、B和C的配置類中找到。注意：因為該應(yīng)用實例是一個可拆卸的電池包，NR位應(yīng)該為零，以關(guān)閉配置寄存器B中的“non-removable”配置功能，并且有必要在電池包連接器上實現(xiàn)一個System_Present信號。利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)閃存配置數(shù)據(jù)，該電池包應(yīng)該以目標(biāo)電池單元的配置而正常地工作。

　　在生產(chǎn)中，Impedance Track電量測定計僅僅需要一個典型的電池包被循環(huán)充電和放電，以了解阻抗和化學(xué)容量的典型數(shù)值，從而修改"Ra Table"的數(shù)據(jù)閃存分類和在"Gas Gauging"分類中的化學(xué)容量，然后，就可以把相同的數(shù)據(jù)閃存配置文件用于所有生產(chǎn)的電池包。