利用現(xiàn)代智能電池技術(shù)延長電池壽命

鋰離子電池技術(shù)

當(dāng)今便攜式應(yīng)用中廣泛使用的可充電電池化學(xué)技術(shù)是鋰離子技術(shù)，其能量密度約為100wh/kg，是輕便應(yīng)用的理想選擇。性能與其最接近的產(chǎn)品是nimh，其能量密度為75wh/kg。在膝上型pc中，隨著其他電子部件變得更小、更輕，電池組已經(jīng)成為在總重量上越來越突出的部分。在成本不是特別高的情況下，輕量能源將會(huì)受到青睞。鋰離子技術(shù)因?yàn)閾碛蟹浅５偷淖苑烹娐?、低維護(hù)性和相對(duì)短的充電時(shí)間，在當(dāng)今的競爭中脫穎而出。由于鋰離子在管理和監(jiān)控上也是一種高度復(fù)雜的化學(xué)技術(shù)，因此，本文將以膝上型pc電池為例，集中討論這一技術(shù)。

鋰離子技術(shù)存在的問題

鋰離子技術(shù)并非完美的化身，雖然低的自放電率是其壽命優(yōu)勢，但它依然面臨其他一些影響使用壽命的因素，見圖1。

決定鋰離子電池組處于健康狀態(tài)的另一個(gè)因素是周期壽命，即電池在其電量大為減低前所耐受的充/放電周期數(shù)。鋰離子電池具有低維護(hù)性，是指它們不需要用戶對(duì)電池“深循環(huán)（deep cycle）”，如同nicd或nimh電池的情形一樣。事實(shí)上，每一個(gè)深放電周期都會(huì)實(shí)際增加電池的阻抗，減少其容量。鋰離子電池在電壓水平低于某一值（傳統(tǒng)上為2v）時(shí)會(huì)永久損壞。最新的技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步降低了這個(gè)最低電壓值，但它仍然存在。當(dāng)電池阻抗增加時(shí)，電流負(fù)載會(huì)使電池電壓很快降到這種低電平，減少了電池在需要進(jìn)行充電前的有效運(yùn)行時(shí)間。此外，周期壽命也會(huì)隨溫度升高而縮短。

早期智能電源管理系統(tǒng)

膝上型pc用戶肯定不想把pc電池組存放到冰箱里，也不想在電源用完前，總是擔(dān)心電池的剩余使用時(shí)間。為此，電源設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出膝上型電源管理系統(tǒng)來計(jì)算電池使用壽命，并反饋回一個(gè)可靠的剩余使用時(shí)間。這一功能以往由膝上型pc承擔(dān)，但現(xiàn)如今通常由電池自身內(nèi)部完成。為了對(duì)電池組的fcc和周期壽命作出一個(gè)很好的估計(jì)，電源管理系統(tǒng)需要了解電池的老化程度和已經(jīng)循環(huán)使用的次數(shù)。pc的使用壽命要比電池組長，不會(huì)只用一塊電池，所以將以上所說的那些電池組參數(shù)存放于電池本身，要比存放在pc中更加合適。其他一些有助于增強(qiáng)估計(jì)準(zhǔn)確性的參數(shù)還有溫度日志記錄和周期性電池阻抗測量值。

使用現(xiàn)代智能電池技術(shù)是增加電池容量的一種可行方案。早期和現(xiàn)今的一些電池管理系統(tǒng)，并沒有對(duì)電池做特定實(shí)時(shí)fcc評(píng)估所必需的一些參數(shù)進(jìn)行跟蹤。這種系統(tǒng)提供的是一種剩余電量估計(jì)，不考慮電池的退化狀態(tài)。這種剩余電量估計(jì)會(huì)隨時(shí)間的推移而變得越來越不準(zhǔn)確，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生兩種情形。一種情形是如果剩余電量估值過為樂觀，那么電池在失效后，而pc屏幕上仍然顯示電池還有使用時(shí)間。這種情況通常造成用戶的不滿，因而常常被設(shè)計(jì)人員所回避。另一種情形是剩余電量估值過為悲觀，這種方法雖然不會(huì)出現(xiàn)電池提前結(jié)束壽命的情況，但會(huì)對(duì)剩余電量造成一定的浪費(fèi)。很多電池設(shè)計(jì)者還是傾向于采用悲觀估計(jì)法。 庫侖計(jì)數(shù)法

保持對(duì)電池組fcc的實(shí)時(shí)預(yù)估將為剩余電量估計(jì)提供一個(gè)更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。這將使電池組設(shè)計(jì)人員可以減少剩余電量估計(jì)的“保護(hù)區(qū)域”，進(jìn)而增加用戶從電池組獲取電能的實(shí)際時(shí)間。
保持實(shí)時(shí)fcc估計(jì)并不是現(xiàn)代智能電池技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)的終結(jié)。用戶關(guān)注的是剩余的穩(wěn)定功率時(shí)間，這個(gè)數(shù)字取決于電池的充電狀態(tài)，充電狀態(tài)等于電池的fcc減掉到目前為止所消耗掉的功率。此外，剩余時(shí)間是一個(gè)取決于電池電流負(fù)載的估值。用戶通過無線lan以全亮度方式在其lcd屏上播放tv節(jié)目流時(shí)消耗的電量，要比在只進(jìn)行文檔操作而沒有其他周邊設(shè)備運(yùn)行的情況下大得多。處在發(fā)展中的電池監(jiān)控系統(tǒng)由電池電壓估計(jì)充電狀態(tài)。這種方法對(duì)于pc電池應(yīng)用也不夠精確。電池需要時(shí)刻跟蹤流入或流出其中的電流，并記錄其總量。這種監(jiān)控方式稱為庫侖計(jì)數(shù)（coulomb counting），見圖2，它需要積分或累加adc固定地監(jiān)控流入或流出電池的電流。通過庫侖計(jì)數(shù)，電池可以知道自身還剩余了多少電量。知道了剩余電量，剩余時(shí)間便可以從電流負(fù)載的連續(xù)測量中估計(jì)出來。

⑴ 使用高分辨率adc監(jiān)視當(dāng)前負(fù)載；

⑵ 使用庫侖計(jì)數(shù)器計(jì)算剩余電量；

⑶ 利用周期計(jì)數(shù)器（通常是存儲(chǔ)在eeprom中的一個(gè)值）、電池壽命、溫度日志記錄、基于同步電壓電流測量的實(shí)時(shí)電池阻抗等參數(shù)計(jì)算電池全充電量。

提供給用戶的最終使用時(shí)間將由電池計(jì)算fcc后留下來的充電狀態(tài)計(jì)算得出，它取決于電池上的當(dāng)前負(fù)載，同時(shí)還要考慮電池阻抗因素，以避免損壞性的低電壓出現(xiàn)。

用庫侖計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)剩余電量計(jì)算是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。它要求有耐高壓的專用模擬電路用于監(jiān)控，有非易失存儲(chǔ)器用于參數(shù)存儲(chǔ)以及功能強(qiáng)大的cpu來進(jìn)行計(jì)算。atmel公司提供的atmega 406智能電池mcu可以實(shí)現(xiàn)庫侖計(jì)數(shù)方案。

atmega 406具有一個(gè)片上電壓調(diào)節(jié)器，能夠直接由pc電池以4～25v的范圍供電。它有四個(gè)差分耐高壓adc通道，能夠?qū)Χ噙_(dá)四個(gè)鋰離子電池進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控。atmega 406里面有一個(gè)自動(dòng)累加雙向庫侖計(jì)數(shù)器，每秒產(chǎn)生一個(gè)18位的累加值。對(duì)于電壓和溫度測量，有一個(gè)13位的sigma/delta adc。atmega 406基于常用的avr（r）8位risc架構(gòu)，具有40kb片上程序閃存和512b 的eeprom（用于存儲(chǔ)參數(shù)）。器件配備sm-bus通信功能，采用48引線的lqfp封裝。另外還特設(shè)獨(dú)立的電池保護(hù)電路。

小結(jié)

智能電池內(nèi)部微電子技術(shù)的巧妙運(yùn)用，為電池組用戶帶來了很多方便。智能電源管理系統(tǒng)的一種簡潔實(shí)現(xiàn)方案就是不用了解電池充電狀態(tài)，而在電池使用壽命到達(dá)之前就關(guān)斷，或是顯示比實(shí)際所能提供的電量略少的電量。另外一種成熟的方案即庫侖計(jì)數(shù)，能對(duì)電池的壽命、使用歷史、負(fù)載和充電狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行跟蹤計(jì)算，為用戶提供一個(gè)最佳的安全剩余使用時(shí)間估計(jì)。