精確計算電池剩余電量至關重要

在當今的高科技時代，移動電話、PDA、筆記本電腦、醫(yī)療設備以及測量儀器等便攜式設備可謂隨處可見。隨著便攜式應用越來越多的向多樣化、專有化、個性化方面發(fā)展，有一點卻始終未變，那就是所有的便攜式設備均靠電池供電。

在對系統(tǒng)的剩余運行時間進行預測的時候，電池可以說是供電環(huán)節(jié)中最難理解的部分之一。隨著便攜式應用數(shù)量的不斷增加，我們需要實現(xiàn)更多的關鍵性操作，例如利用移動電話進行賬戶管理、便攜式數(shù)據(jù)記錄器必須保留相應的功能以應對完全工作交接、醫(yī)療設備必須完整保存需要監(jiān)控的關鍵數(shù)據(jù)等等。

本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量的重要性。令人遺憾的是，僅通過測量某些數(shù)據(jù)點甚至是電池電壓無法達到上述目的。溫度、放電速率以及電池老化等眾多因素都會影響充電狀態(tài)。本文將集中討論一種專利技術，該技術能夠幫助設計人員測量鋰電池的充電狀態(tài)以及剩余電量。

現(xiàn)有的電池電量監(jiān)測方法

目前人們主要使用兩種監(jiān)測方法：一種方法以電流積分(current integration)為基礎；而另一種則以電壓測量為基礎。前者依據(jù)一種穩(wěn)健的思想，即如果對所有電池的充、放電流進行積分，就可以得出剩余電量的大小。當電池剛充好電并且已知是完全充電時，使用電流積分方法效果非常好。這種方法被成功地運用于當今眾多的電池電量監(jiān)測過程中。

但是該方法有其自身的弱點，特別是在電池長期不工作的使用模式下。如果電池在充電后幾天都未使用，或者幾個充、放電周期都沒有充滿電，那么由內(nèi)部化學反應引起的自放電現(xiàn)象就會變得非常明顯。目前尚無方法可以測量自放電，所以必須使用一個預定義的方程式對其進行校正。不同的電池模型有不同的自放電速度，這取決于充電狀態(tài)(SOC)、溫度以及電池的充放電循環(huán)歷史等因素。創(chuàng)建自放電的精確模型需要花費相當長的時間進行數(shù)據(jù)搜集，即便這樣仍不能保證結果的準確性。

該方法還存在另外一個問題，那就是只有在完全充電后立即完全放電，才能夠更新總電量值。如果在電池壽命期內(nèi)進行完全放電的次數(shù)很少，那么在電量監(jiān)測計更新實際電量值以前，電池的真實容量可能已經(jīng)開始大幅下降。這會導致監(jiān)測計在這些周期內(nèi)對可用電量做出過高估計。即使電池電量在給定溫度和放電速度下進行了最新的更新，可用電量仍然會隨放電速度以及溫度的改變而發(fā)生變化。

以電壓為基礎的方法屬于最早應用的方法之一，它僅需測量電池兩級間的電壓。該方法基于電池電壓和剩余電量之間存在的某種已知關系。它看似直接，但卻存在難點：在測量期間，只有在不施加任何負載的情況下，才存在這種電池電壓與電量之間的簡單關聯(lián)。當施加負載時(這種情況發(fā)生在用戶對電量感興趣的多數(shù)情況下)，電池電壓就會因為電池內(nèi)部阻抗所引起的壓降而產(chǎn)生失真。此外，即使去掉了負載，發(fā)生在電池內(nèi)部的張持過程(relaxation processe)也會在數(shù)小時內(nèi)造成電壓的連續(xù)變化。由于多種原因的存在，基于電池阻抗知識的壓降校正方法仍存在問題，本文會在稍后討論這些原因。

電池化學反應及電壓響應

電池本身復雜的電化學反應導致其瞬態(tài)電壓響應。圖1a顯示了從鋰離子電池的電極開始的電荷轉(zhuǎn)移基本步驟(其它電池的步驟與其類似)。

電荷必須首先以電子的形式穿越儲存能量的電化學活性材料(陽極或陰極)，在到達粒子表面后以離子的形式存儲于電解液中。這些化學步驟與電池電壓響應的時間常數(shù)相關。圖 1b顯示了電池的阻抗范圍，時間常數(shù)的范圍從數(shù)毫秒到數(shù)小時不等。

在時域中，這意味著施加負載后，電池電壓將隨時間的推移以不同速率逐漸降低，并且在去除負載后逐漸升高。圖2顯示了在不同的充電狀態(tài)下，對鋰離子電池施加負載后的電壓張弛情況。

考慮到基于電壓的電池電量監(jiān)測會產(chǎn)生誤差，我們假定可以通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓，然后通過使用校正后的電壓值來獲取當前的SOC。我們將要遇到的第一個問題就是：R值取決于SOC。如果使用平均值，那么在幾乎完全放電的狀態(tài)下(此時阻抗是充電狀態(tài)下的10倍以上)，對SOC的估測誤差將達到100%。解決該問題的一個辦法是根據(jù)SOC在不同負載下使用多元電壓表。阻抗同樣在很大程度取決于溫度(溫度每降低10°C，阻抗增加1.5倍)，這種相互關系應該添加到表格中，而這也就使得運算過程極為復雜。

電池電壓具有瞬態(tài)響應特性，而這意味著有效的R值取決于負載的加載時間，顯而易見我們可以將內(nèi)部阻抗簡單視為歐姆電阻而無需考慮時間因素，因為即使電壓表中考慮到了R和SOC的相關性，負載的變化也將導致嚴重誤差。由于SOC(V)函數(shù)的斜率取決于SOC，所以瞬態(tài)誤差的范圍將從放電狀態(tài)下的50%到充電過程中的14%不等。

不同電池間阻抗的變化加大了情況的復雜性。即使是新生產(chǎn)的電池也會存在±15%的低頻DC阻抗變化，這在高負載的電壓校正中造成很大差異。例如，在通常的1/2C充放電電流、2Ah 電池典型DC阻抗約為0.15Ω的情況下，最差時會在電池間產(chǎn)生45mV的校正電壓差異，而對應的SOC估測誤差則達到了20%。

最后，當電池老化時，一個與阻抗相關的最大問題也隨即出現(xiàn)。眾所周知，阻抗的增加要比電池電量的降低顯著得多。典型的鋰離子電池70個充放電循環(huán)后，DC 阻抗會提高一倍，而相同周期的無負載電量僅會下降2%～3%。基于電壓的算法似乎在新電池組上很適用，但是如果不考慮上述因素，在電池組只達到使用壽命的15%時(預計500個充放電周期)就會產(chǎn)生嚴重的誤差(誤差為 50%)。